含空位缺陷單壁碳納米管斷裂行為的有限元模擬

張 續， 齊樂華， 舒 揚， 付前剛， 李賀軍

(1.西北工業大學 機電學院,陜西 西安710072；2.西北工業大學 材料學院,陜西 西安710072)

含空位缺陷單壁碳納米管斷裂行為的有限元模擬

張 續1， 齊樂華1， 舒 揚1， 付前剛2， 李賀軍2

(1.西北工業大學 機電學院,陜西 西安710072；2.西北工業大學 材料學院,陜西 西安710072)

提出了碳碳鍵的斷裂準則，建立了含空位缺陷碳納米管的有限元模型，基于此斷裂準則采用有限元方法對單壁碳納米管的斷裂行為進行了模擬研究，計算得到了碳納米管的抗拉強度和極限應變，并研究了單原子空位缺陷對碳納米管抗拉強度和極限應變的影響。結果表明理想單壁碳納米管的抗拉強度約為100 GPa，極限應變約為20%。單原子空位缺陷顯著降低了碳納米管的抗拉強度和極限應變，使抗拉強度降低了20%～30%，極限應變降低了12%～18%，這也正是碳納米管極限強度的實驗結果遠低于理論預測結果的原因。

單壁碳納米管； 空位缺陷； 有限元法； 抗拉強度； 極限應變

1 前言

碳納米管作為備受研究人員關注的納米材料，具有優異的力學性能，在諸多領域應用潛力巨大。基于密度泛函理論(DFT)[1-3]、分子動力學方法(MD)[2, 4]以及分子力學方法(MM)[5,6]理論計算表明，碳納米管的抗拉強度為85～220 GPa，顯著高于Yu等[7]的實驗結果(11～63 GPa)，這可能是由于實際制備的碳納米管中存在的缺陷所造成的[5]。

目前，實驗手段尚不能觀測到碳納米管的斷裂過程，因此采用數值模的方法對碳納米管斷裂行為進行研究是一種有效的手段[8]。采用量子力學方法[3]、分子動力學方法[4]以及分子力學方法[5]對含缺陷碳納米管研究表明：空位缺陷使得碳納米管的抗拉強度下降20%～40%，極限應變下降10%～50%。……