題目|溫度、應(yīng)變率和空位缺陷對氮化硼納米管壓縮性能的影響

摘 要:采用分子動力學方法，分別模擬了完好的和含有缺陷的氮化硼納米管的軸向壓縮過程，原子間的相互作用采用 Tersoff 多體勢函數(shù)來描述。結(jié)果表明，同尺寸的鋸齒型氮化硼納米管的臨界軸向壓縮強度高于扶手型氮化硼納米管，這與碳納米管的研究結(jié)果一致，發(fā)現(xiàn)納米管的壓縮強度，如臨界軸向內(nèi)力在低溫下受溫度影響明顯，并且和應(yīng)變率的大小有關(guān)，然而，應(yīng)變率對納米管的彈性變形沒有影響。 另外，還發(fā)現(xiàn)空位缺陷降低了納米管的力學性能，與完好的納米管相比，含有缺陷的納米管軸向壓縮強度對于溫度的影響并不敏感。

關(guān)鍵詞:分子動力學;氯化硼納米管;壓縮強度;應(yīng)變率;缺陷

一、引言

一維納米材料由于其獨特的結(jié)構(gòu)及優(yōu)良的力學、電學等性能，呈現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，碳納米管自從 1991 年被發(fā)現(xiàn)以來，吸引了材料物理電子等領(lǐng)域眾多科學家的極大關(guān)注，成為國際新材料領(lǐng)域的研究前沿和熱點近年來，氮化硼、氯化鎳、二氧化鈦管等也相繼被發(fā)現(xiàn)，硒化鎵、氮化鎵、銅、鉍等納米管的研究也已經(jīng)展開。

目前，很多學者已經(jīng)開始研究氮化硼納米管，Rubio等人在1994年就預測到一定存在著氮化硼納米管，不久以后Chorpa等人用 BN外包難熔金屬鎢作正電極，在實驗中第一次得到了多壁的氮化硼納米管，1996 年，Loiseau 等人采用電弧放電法，得到了單壁氮化硼納米管。有關(guān)氮化硼納米管的電子結(jié)構(gòu)等方面的理論研究已經(jīng)展開，但是有關(guān)化硼納管的力學特性的報道卻很少，Won Ha Moon 等采用分子動力學方法對(5，5)型單壁氮化硼納米管的壓縮特性進行過簡單研究，沈海軍對碳、氮化硼納米管與納米豆莢的拉伸和壓縮特性進行過比較，由于工藝的限制，實際生產(chǎn)的納米管大都具有一定的缺陷(點缺陷或線缺陷)，所以有必要研究這些缺陷對納管力學特性的影響，因此，本文采用分子動力學方法，對單壁氮化硼納米管的軸向壓縮過程中的力學特性進行了研究，同時研究了溫度、應(yīng)變率、空位缺陷等對壓縮過程的影響，本文的研究對于人們進一步認識氮化硼納米管的物理屬性有重要的參考價值。

二、模型構(gòu)建和計算方法

分別構(gòu)建了長度為 6.0 nm ，半徑約為 0.98nm 的(7，7)扶手型和(12，0)鋸齒型氮化硼納米管，如圖 1(a)(b)所示，根據(jù)單壁納空間結(jié)構(gòu)的特點，得到單壁納米管初始構(gòu)型的空間排列，由于模擬的單壁納米管長度是有限的，故計算中不采用周期性邊界條件。

模擬過程中納米管中的原子之間的相互作用選取基于量子力學鍵級觀念發(fā)展起來的 Tersoff 多體勢，原子的運動方程采用Gear 預測一校正算法，積分步長取0.5fs。首先，將單壁納米管初始構(gòu)型在0K下馳豫40000 步,再升溫到 100 K，然后馳豫同樣的步數(shù)，直到溫度升高到 1600 K,最后進行退火過程來得到納管的穩(wěn)定構(gòu)型。表1給出了Tersoff 于化硼納米管的計算結(jié)果，與TB勢計算的結(jié)果很吻合，表明了Tersoff勢用于研究氮化硼納米管的有效性。模擬過程中首先將納米管下面方框內(nèi)的原子固定給上面方框內(nèi)的原子沿軸向施加位移載荷，馳豫一定的時間步;保持位移載荷不變，通過改變馳豫的時間步數(shù)來改變應(yīng)變率，如每次施加 0.001 應(yīng)變的位移載荷，馳豫 20000 步，則相應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?0^-4/ps，在模擬計算中，溫度從 10K變化到1500K，應(yīng)變率從10^-5/ps變化到10^-3/ps，空位缺陷為單個空位、相連的雙空位和三個空位。

三、總結(jié)與討論

3.1完好化硼納管的軸向壓縮特性

首先模擬了完好氮化硼納米管的壓縮屈曲行為，模擬溫度設(shè)定為 300 K，軸向位移載荷加載速度為每 5000 個步長0.001 nm，其中應(yīng)變 定義為端部施加位移與納米管原始長度之比，軸向力為納米管軸向內(nèi)力的平均值.加載過程中軸向力和應(yīng)變能隨應(yīng)變的變化關(guān)系分別如圖 2 和圖 3 所示，圖4給出了氮化硼納米管壓縮過程中在不同應(yīng)變下的構(gòu)型。

由圖 2 可以看出，在初始變形階段，兩種納米管的軸向力與應(yīng)變之間均近似呈線性關(guān)系，整體結(jié)構(gòu)仍基本保持圓柱形狀(如圖 4a，其中左圖為(7，7)氮化硼納米管，右圖為（12，0）氮化硼納米管），當應(yīng)變達到某一臨界值時，出現(xiàn)了一個軸向內(nèi)力快速下降的階段，此時納米管已經(jīng)不再保持圓柱形狀，局部管壁迅速坍塌內(nèi)陷(如圖 4a，其中左圖為(7，7)氮化硼納米管，右圖為（12，0）氮化硼納米管)，出現(xiàn)了局部屈曲行為，由圖 4 可以看出兩種氮化硼納米管的失效模式相同，都為局部屈曲，圖2可以得到(7，7)和(12，0)氮化硼納米管分別在應(yīng)變?yōu)?nbsp;0.036 和0.037 時發(fā)生局部屈曲，對應(yīng)的臨界軸內(nèi)力分別為35.97 n和 3752 N。

下面計算兩種納米管的楊氏模量，在初始變形的彈性階段，假設(shè)納米管截面內(nèi)力為均分布，則截面應(yīng)力可以由 σ= F/A 得到其中F為軸向內(nèi)力平均值，A為管截面面 2πrt，r為納管徑，t為納米管管壁厚，取石墨層間間距0.34 nm，則楊氏模量可以由 Y=σ/ ε得到，由圖2線性階段可以計算得到氮化硼納米管的楊氏模量分別為903.52和911.68 GPa，這與吳楊等采用第一性原理計算的結(jié)果884.92和897.84 GPa很接近，且都低于碳納米管的楊氏模量，由圖3可以發(fā)現(xiàn)在初始變形階段,應(yīng)變能隨應(yīng)變按二次曲線增長，這說明Yakobson的表達式是合理的，因此本文可以得到(7,7)和(12，0)氮化硼納管的原子楊模量分別為53.6和54.1 eV/atom，略小于碳納米管的原子楊氏模量.

3.2溫度對氮化硼納米管的軸向壓縮強度的影響

溫度的變化可能會引起納米管力學性能的改變，因此，本文模擬了(7，7)和(12，0)氮化硼納米管在不同溫度(從 10 K化到1500 K)下的軸向壓縮過程，得到臨界軸向內(nèi)力隨溫度的變化曲線，如圖5所示

由圖 5 可以看出，隨著溫度的升高兩種氮化硼納米管的臨界軸向內(nèi)力都減小.這是由于溫度的升高，原子的熱激活能力大大增強，促進了原子的運動，使得納米管更容易產(chǎn)生塑性變形，從而導致屈服強度降低.在各種溫度下，(12，0)氮化硼納米管的臨界軸向內(nèi)力要高于(7，7) 氮化硼納米管的臨界軸向內(nèi)力，還可以發(fā)現(xiàn)當溫度低于300 K時兩種納米管的臨界軸向內(nèi)力隨著溫度的升高減少的很快，而在溫度高于 300 K 時相應(yīng)的變化比較平緩，因此低于300K時兩種納米管的軸向壓縮強度受溫度的影響比較敏感。

3.3應(yīng)變率對氮化硼納米管的軸向壓縮強度的影響

在宏觀尺度下，應(yīng)變率對材料的力學性能有很大影響，對于納米尺度材料，這種影響很難用實驗方法來研究.本文利用分子動力學方法模擬了溫度為300 K時不同應(yīng)變率(10^-5/ps變化到10^-3/ps)對(7，7)和(120)氮化確納米管壓縮強度，如臨界軸向內(nèi)力的影響. 。

不同應(yīng)變率下，軸向內(nèi)力隨應(yīng)變的變化曲線如圖 6 所示從圖中可以看出，在彈性變形階段，軸向內(nèi)力幾乎不受應(yīng)變率大小的影響，所以納米管楊氏模量與應(yīng)變率無關(guān)。然而，軸向內(nèi)力的臨界值卻隨著應(yīng)變率的增大而增加，這與碳納米管受拉伸載荷作用下模擬的結(jié)果一致，在較大的應(yīng)變率下體系的結(jié)構(gòu)來不及馳豫，導致體系結(jié)構(gòu)的變形跟不上載荷的變化，而在較低的應(yīng)變率作用時納米管有足夠的時間引入局部變形，體系的結(jié)構(gòu)變化跟得上載荷的變化，因此表現(xiàn)出來的臨界應(yīng)力就會比大應(yīng)變率時低，在10^-3/ps應(yīng)變率下，(7，7)氮化硼納米管的臨界軸向內(nèi)力為41.84 nN;在10^-4/ps應(yīng)變率下，(7，7)氮化硼納米管的臨界軸向內(nèi)力為37.99 nN，可以發(fā)現(xiàn)應(yīng)變率降低一個數(shù)量級，(7，7)氮化硼納米管的臨界軸向內(nèi)力降低了9.2%，圖7 給出了兩種納米管的臨界軸向內(nèi)力與應(yīng)變率的關(guān)系。從圖中可以看出，臨界軸向內(nèi)力隨應(yīng)變率增加而大致成線性規(guī)律增加。

3.4空位缺陷對氮化硼納米管軸向壓縮強度的影響

為了研究缺陷對納米管力學特性的影響，采用分子動力學方法模擬了自身具有空位缺陷的(7，7)和(12，0)氮化硼納米管壓縮過程模擬溫度從 100K變化到1500 K。

圖8給出不同空位缺陷的結(jié)構(gòu)圖同時選取完好的(7，7)和(12，0)氮化硼納米管進行了比較，在不同溫度下，模擬得到納米管的臨界軸向內(nèi)力，如圖9 和 10 所示

從圖9 和 10 可以看出空位缺陷對納管的臨界軸向內(nèi)力有很大的影響，而且這種影響依賴于溫度。在低溫狀態(tài)下，由于空位缺陷的存在，納米管的力學性能降低很大，在 100 K 時含有缺陷的(7，7)和(12，0)氮化硼納米管的臨界軸向內(nèi)分別減少到完好的(7，7)和(120)化硼納臨界軸向內(nèi)力的 50%左右。隨著溫度的升高空位缺陷的影響逐漸減弱，在1500K時臨界軸向內(nèi)力相差只有5%左右，與完好的納米管相比，含有缺陷的納米管軸向壓縮強度受溫度的影響并不敏感。另一方面從圖中可以看出，單個空位的臨界軸向內(nèi)力、臨界應(yīng)變要大于雙空位，而雙空位要大于三個空位的情況，這是因為納米管的失穩(wěn)破壞是一個激發(fā)的過程相對較大的空位缺陷更容易產(chǎn)生波動，因而會更早的到達臨界狀態(tài)。

四、結(jié)語

本文運用分子動力學方法采用 Tersoff 多體勢函數(shù)，模擬計算了(7，7)和(12，0)氮化硼納米管的軸向壓縮特性，著重研究了溫度、應(yīng)變率以及空位缺陷對壓縮強度的影響，計算結(jié)果表明:①同尺寸的鋸齒型氮化硼納米管的臨界軸向壓縮強度高于扶手型氮化硼納米管，這與碳納米管的研究結(jié)果一致;②氮化硼納米管的壓縮強度隨著溫度的升高而降低，在溫度低于 300 K 時，溫度對壓縮強度的影響明顯;③氮化硼納米管的壓縮強度隨著應(yīng)變率的提高而增強，這與宏觀結(jié)構(gòu)的力學性能相同;④空位缺陷對納米管的壓縮性能有很大影響，且隨著溫度的變化而不同，在低溫狀態(tài)下，空位缺陷在很大程度上降低納米管的壓縮強度，隨著溫度的升高這種影響逐漸降低。