氮化硼纳米管非典型屈曲行为的原子层次模拟研究

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氮化硼纳米管具有优异的力学、电学以及耐高温的性能。在纳米科学技术领域,分子动力学是应用较为广泛的一套分子模拟方法,在对纳米结构体系的模拟和定量描述方面,具有不可替代的优势。本文利用分子模拟软件Lammps以及可视化软件VMD,选取分子动力学模拟方法,对单壁氮化硼纳米管的非典型屈曲行为进行了模拟研究。本文利用分子动力学模拟方法,研究了氮化硼纳米管分别在轴向压缩和扭转两种简单荷载作用下的变形屈曲行为,得到了纳米管的屈曲和后屈曲构型,同时研究了手性、环境温度以及半径和长度对氮化硼纳米管屈曲行为的影响,发现不同手性的氮化硼纳米管的屈曲模式基本相同。在简单荷载作用下,温度对氮化硼纳米管的力学行为有显著影响,同时氮化硼纳纳米管的屈曲行为依赖于半径和长度而变化。研究了氮化硼纳米管在轴压和扭转复合荷载作用下的屈曲行为,将复合荷载作用下的力学行为与简单载荷下的力学行为进行了对比,分别给出了不同温度、半径和长度下的纳米管临界关系曲线。结果表明,氮化硼纳米管的屈曲行为也表现出强烈的尺寸依赖性,屈曲临界应力随半径或长度的增大而减小。并且,温度升高同样会降低氮化硼纳米管抵抗屈曲荷载的能力。扶手型和锯齿型氮化硼纳米管均表现出非线性的屈曲临界荷载关系。本文利用分子动力学模拟方法,研究了含Stone-Wales(SW)缺陷的氮化硼纳米管分别在轴向压缩、扭转简单荷载以及轴压和扭转复合荷载作用下的屈曲行为。缺陷的位置分布情况包括在管的中部、上部、以及同时在上部和中部的组合。研究对比了环境温度、半径和长度对含缺陷结构屈曲行为的影响。结果表明,SW缺陷的存在降低了氮化硼纳米管抵抗屈曲荷载的能力,中部有SW缺陷的纳米管比上部有缺陷的纳米管呈现出更低的临界荷载值。同时,对于不同的缺陷分布位置,两种手性的纳米管都表现出非线性的屈曲临界荷载关系。
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