论文总字数：43997字

摘 要

碳纳米管（CNTs）自1991年被发现以来，因其在热学、电学和力学等方面极其优越的性能而引起社会各界的广泛关注，世界各国都开展了碳纳米管相关的研究工作。目前碳纳米管已在电子器件、复合材料、纳米机械、储氢材料等领域取得了广泛的应用，其潜在的应用领域也在不断探索之中。

本文受Xu和Buehler两人对单壁碳纳米管应变研究的启发，从而研究了扭转对碳纳米管管束阵列（简称“碳纳米管束”）热导率的影响，并采用模拟与实验相结合的方法开展相应研究。

在模拟过程中，运用LAMMPS软件，采用最新的分子动力学方法进行模拟。所研究的碳纳米管束结构由7根完全相同的（10,0）单壁碳纳米管组成，总长为85.26nm，管间距均为3.4Å。分别将碳纳米管管束扭转1/2圈、1圈、3/2圈、2圈和5/2圈，并计算不同扭转程度下的热导率，分析不同扭转程度下碳纳米管束的变化。

为了进一步验证模拟的结论，本文对不同扭转程度下碳纤维的热导率进行实验测量。测量采用由张兴教授等人发明的稳态T形法，分别在室温下和变温度情况下进行了两组实验。第一组实验在室温下，分别将碳纤维扭转3圈、6圈和8圈，并测量其热导率。第二组实验对未扭转与扭转之后的同一根碳纤维进行变温度测量，测量温度范围为100K~310K，每间隔20K为一个测量点，分析热导率变化情况。

模拟和实验的结果均表明，在室温下，随着扭转程度的增大，碳纳米管束（碳纤维）热导率会逐渐减小。此外，变温度实验还表明在低温（100K）情况下，扭转同样会导致碳纤维热导率降低。本文的研究对控制和提高碳纳米管束热导率提供了理论指导，并具有潜在的应用价值。

关键词：碳纳米管束；扭转；热导率；分子动力学模拟；稳态T形法

Abstract

Since 1991, when the Japanese professor lijima first discovered carbon nanotubes (CNTs), carbon nanotubes cause the extensive concern of the society from all walks of life because of its thermal, electrical and mechanical aspects of extremely superior performance , all countries in the world are carrying out research related to the carbon nanotubes. At present, carbon nanotubes have been widely used in nano-electronic devices, composite reinforcing materials, nano-machinery, hydrogen storage materials and other fields, and their potential applications are also being explored.

Inspired by Xu and Buehler’s work in strain of single-walled carbon nanotubes, this paper study the torsion of bundles of carbon nanotubes arrays (hereinafter referred to as "carbon nanotube bundle") in the influence of thermal conductivity, and by adopting the combination of simulation and experiment methods to do the same research.

In the simulation process, molecular dynamics simulation method is used to simulate the LAMMPS software package. The carbon nanotube bundles are consisted of 7 identical (10,0) single-walled carbon nanotubes with a total length of 85.26nm and tube spacing of 3.4Å. The carbon nanotube bundles are twisted by 1/2, 1, 3/2, 2 and 5/2 cycles respectively. The thermal conductivity of the nanotube bundles with different torsion degrees is calculated and the changes of the nanotube bundles with different torsion degrees are analyzed.

In order to verify the simulation results, the thermal conductivity of carbon fiber with different torsion degree is measured experimentally. Two groups of experiments are carried out at room temperature and at variable temperature using the steady-state T-shape method invented by professor zhang xing and others. In the first experiment, carbon fibers are twisted three, six and eight circles at room temperature, and their thermal conductivity was measured. In the second group of experiments, the same carbon fiber without torsion and torsion is measured at variable temperature, ranging from 100K to 310K, with each interval of 20K as a measurement point to analyze the change of thermal conductivity.

The simulation and experimental results show that the thermal conductivity of carbon nanotube bundles (carbon fibers) decreases with the increase of torsion at room temperature. In addition, the experiment of variable temperature also show that at low temperature (100K), the torsion will also lead to the decrease of the thermal conductivity of carbon fiber. The research in this paper has guiding significance to control and improve the thermal conductivity of carbon nanotube bundles and has potential application value.

KEY WORDS: carbon nanotube bundles; torsion; thermal conductivity; molecular dynamics simulation; steady-state T-shape method

目 录

第一章 绪论 1

1.1 纳米技术 1

1.1.1 纳米技术的历史 1

1.1.2 纳米技术的应用 1

1.1.3 我国纳米技术的发展 2

1.2 碳纳米管 2

1.2.1 碳纳米管的发现 2

1.2.2 碳纳米管的结构 4

1.2.3 碳纳米管的制备 6

1.2.4碳纳米管的特性及应用 8

1.3 论文的研究思路与主要内容 9

第二章 分子动力学模拟方法 11

2.1 分子动力学模拟概述 11

2.2 分子动力学模拟的一般步骤 11

2.2.1碳纳米管束模型的建立 12

2.2.2势函数模型 14

2.2.3 牛顿运动方程的数值解法 16

2.2.4 边界条件 18

2.3分子动力学模拟软件 18

2.3.1 LAMMPS 18

2.3.2 VMD 19

2.3.3 Teamviewer 19

2.4 模拟软件LAMMPS的学习 19

2.4.1 in文件代码的学习与解读 20

2.4.2 模拟计算的过程 22

2.4.3 输出结果的处理 23

2.5 本章总结 26

第三章 不同扭转程度下碳纳米管束热导率的分子动力学模拟 27

3.1 碳纳米管束扭转应变的施加 27

3.1.1 坐标计算法 28

3.1.2 直接扭转法 28

3.2 碳纳米管束热导率的计算 29

3.2.1 平衡分子动力学方法 29

3.2.2 非平衡分子动力学方法 29

3.3 模拟方法与过程 30

3.4 LAMMPS输入代码解读 31

3.5 模拟结果与分析 32

3.6 本章总结 39

第四章 碳纤维扭转实验测量 40

4.1测量原理 40

4.1.1温升变化的控制方程 40

4.1.2 铂电阻温度计 42

4.2 实验系统及方法 43

4.2.1 实验系统 43

4.2.2 实验主要仪器及型号 44

4.2.3实验方法 44

4.3 实验误差分析 45

4.4 实验结果分析 45

4.5 本章总结 47

第五章 总结与展望 48

5.1 总结 48

5.2 展望 48

致 谢 49

参考文献 50

附录 52

绪论

1.1 纳米技术

纳米科学技术是指在纳米尺度（1nm~100nm）上研究物质（包括原子、分子的操纵）的特性和相互作用，以及利用这些特性的多学科交叉的科学和技术^[1]。纳米尺度下的一些性能经常与人们对宏观材料的理解不同，但是学者们发现纳米级的这些新的性能通常十分优异，可以用于满足人类对于生活心得需求，而利用这些新的性能制造具有符合人们需求特定功能设备的技术，便称为纳米技术。

1.1.1 纳米技术的历史

1959年，著名物理学家Richard Feynman指出，如果我们能够控制单个的原子，我们在理论上便能够将整本大英百科全书的内容写在一个别针上。虽然这次演讲在当时没有引起人们的关注，在随后的几十年也仅有少数几次的引用，但这次演讲对于纳米领域却意义重大，它是纳米技术思想的起源。1974年，“纳米技术”这个现在人人耳熟能详的术语才在谷口纪男的论文《“纳米技术”的基本概念》里被第一次正式提出。在其文章中，他介绍了如何使用离子溅射在硬表面上形成纳米结构。1981年，瑞士物理学家Heinrich Rohrer和他的同时共同研制出了扫描隧道显微镜，它将分子和原子世界展现在世人的面前，极大地促进了纳米技术的发展。在1990年，Don Eigler和他的同事利用扫描隧道显微镜，成功在镍表面用单个氙原子来展示出“IBM”3个字，这也正式表明了纳米时代已经到来。

1.1.2 纳米技术的应用

纳米尺度下物质主要有三种效应。（1）比表面效应：当立方体被切割刀纳米尺度的时候，它的比表面积将急剧增大，如1克5nm氧化铝的总表面积相当于一个标准篮球场面积那么大。（2）小尺寸效应：物体在纳米尺度下呈现和宏观情况下不一样的特性，比如金子在纳米尺度下不再是金色，而是黑色的。（3）量子效应：当热能及其他能量比正常的平均能量级还小的时候，会表现出与宏观现象所不同的特性。也正由于具有这样特殊而令人赞叹的效应，使得纳米技术在诸多领域都拥有广阔的应用前景。

在生物医学领域，可以利用纳米技术制作人的牙齿和关节等仿生纳米材料，利用纳米材料高强度和高稳定性的特点极大地延长其使用寿命。同时，纳米技术为医学治疗提供的帮助为癌症的成功的治愈增加了可能性，利用纳米技术制成的药物投递载体（Drug Delivery Vehicles，DDVs）可以有效地输送抗癌药物到癌细胞，并尽可能地减少在运输途中的泄露，降低药物对人体的副作用，减轻癌症患者的痛苦。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：43997字