气体环境下双壁碳纳米管振荡器的能量耗散

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本文运用分子动力学方法模拟了真空条件下双壁纳米碳管振荡器谐振现象及其过程中的能量耗散。在此基础之上,本文又较为系统地研究了双壁碳纳米管振荡器处于气体环境下的振荡行为。 建立真空条件下多壁纳米碳管谐振子模型,验证了多壁碳纳米管振荡器谐振现象,得到了内碳管振动位移曲线及在此过程中内碳管所受回复力的变化情况,并讨论了碳管管型、碳管长度等因素变化对谐振频率的影响。针对谐振过程中存在的能量损耗进行分析,提出了从能量损耗角度来讨论摩擦的方法,得到碳管谐振过程中摩擦力的变化情况。 真空条件给振荡器的应用带来极大的不便与限制。为此,在真空谐振子模型基础上,建立了气体环境下的谐振子模型,即在谐振子周围填充气体(Ar),讨论了气体密度及周围环境温度对碳管谐振的影啊,并比较了气体环境与真空环境两种状态下碳管振荡器的能量耗散,在比较的过程中发现气体阻尼对碳管振荡器有着极其重要影响。通过本文的分析计算得出如下结论:多壁纳米碳管的振荡特性是,内碳管在外碳管内沿轴向做周期性减幅振动,其振动频率可高达几十到几百吉赫(GHz)。振动过程中内碳管所受回复力只有方向的周期性变化,而大小保持稳定。振动频率受管壁间作用强度及碳管长度影响。频率与管壁间作用强度成线性关系,而与碳管长度成倒数关系;在气体环境下,两碳管间摩擦力随气体密度的增大及环境温度的升高而增大。气体分子的碰撞将导致碳管的晶格变形,从而极大改变碳管间的初始理想匹配状态,导致摩擦力增大;随着温度的升高,碳管原子热振动振幅增大和高能量声子的激发,使得碳管振动的机械能更容易转化为热能而被耗散,导致摩擦力增大。发现气体密度的增大和环境温度的升高,都将导致振幅衰减加快,振荡频率增大。通过与真空状态下的谐振子相比,气体分子与管壁的碰撞是造成能量耗散的一个主要原因,气体环境的阻尼可能是导致碳管谐振子在工程实际中失效的主要原因,其次,环境温度对谐振子也具有重要的影响,低温工作条件对谐振子是有利的。
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