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碳納米材料的結構及其力學

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作者:王超
出版社:科學出版社出版時間:2022-03-01
開本: 16開 頁數: 162
本類榜單:工業技術銷量榜
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碳納米材料的結構及其力學 版權信息

碳納米材料的結構及其力學 本書特色

納米材料相關領域的研發人員、技術人員及生產人員閱讀參考

碳納米材料的結構及其力學 內容簡介

本書以碳納米材料構筑而成的跨尺度材料為研究對象,主要包括螺旋卡拜纖維、碳納米管纖維、碳納米管薄膜、碳納米管剪裁結構以及氧化石墨烯基薄膜/空心球混雜體。采用優選的力學測試技術(包括原位力學測試技術與宏觀力學測試技術)結合理論預測方法(包括分子模擬與連續理論)對這類材料的力學性質以及失效機制進行了深入探討。 本書可供高等院校和科研機構等力學和材料專業相關科研人員閱讀。

碳納米材料的結構及其力學 目錄

目錄
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 碳納米材料研究進展 1
1.2.1 碳納米材料的制備 1
1.2.2 碳納米材料的力學性能及其多功能應用 4
1.3 本書的主要內容 8
第2章 螺旋卡拜纖維 10
2.1 引言 10
2.2 螺旋卡拜纖維的拉伸模擬 10
2.2.1 螺旋卡拜纖維的構造 10
2.2.2 模擬細節 11
2.3 螺旋卡拜纖維楊氏模量的連續理論預測模型 12
2.3.1 卡拜納米結構的模型描述 12
2.3.2 v,E和d的解析公式和顯式表達式 14
2.3.3 螺旋卡拜纖維連續理論預測模型 15
2.4 拉伸力學行為和力學性質 18
第3章 碳納米管纖維 26
3.1 引言 26
3.2 一級螺旋碳納米管纖維拉伸力學性質理論預測模型 26
3.2.1 一級螺旋碳納米管纖維全原子模型 26
3.2.2 一級螺旋碳納米管纖維自組裝行為 27
3.2.3 一級螺旋碳納米管纖維拉伸斷裂機制 28
3.2.4 一級螺旋碳納米管纖維拉伸力學性質 31
3.3 多級螺旋碳納米管纖維拉伸力學性質理論預測模型 32
3.3.1 多級螺旋碳納米管纖維粗粒化模型 32
3.3.2 多級螺旋碳納米管纖維的斷裂強度和楊氏模量 34
3.3.3 多級螺旋碳納米管纖維的拉伸斷裂機制 37
3.4 隨機分布碳納米管纖維拉伸力學性質理論預測模型 41
3.4.1 隨機分布碳納米管纖維粗粒化模型 41
3.4.2 隨機分布碳納米管纖維的拉伸斷裂機制 42
3.4.3 隨機分布碳納米管纖維的比強度和比模量 43
3.5 碳納米管纖維內部管間界面失效分析 45
3.5.1 兩單根碳納米管之間的剪切失效 46
3.5.2 兩單根碳納米管之間的剝離失效 53
第4章 碳納米管薄膜 60
4.1 引言 60
4.2 高強巴基紙 60
4.2.1 基于PAMAM樹枝狀大分子的內部界面改性設計 60
4.2.2 巴基紙的拉伸力學性質 62
4.2.3 基于分子模擬的巴基紙界面增強分析 64
4.3 碳納米管編織薄膜 69
4.3.1 基于平紋編織的碳納米管薄膜全原子模型 69
4.3.2 碳納米管編織薄膜的面內力學性質 71
4.3.3 碳納米管編織薄膜的抗沖擊性能 72
4.4 定向排列碳納米管薄膜 77
4.4.1 定向排列碳納米管薄膜結構 77
4.4.2 定向排列碳納米管薄膜各向異性力學性質 78
4.4.3 定向排列碳納米管薄膜/環氧樹脂夾層復合材料 82
4.4.4 定向排列碳納米管薄膜/PDMS夾層復合材料 87
第5章 碳納米管剪裁結構 92
5.1 引言 92
5.2 碳納米管拉花結構 92
5.2.1 碳納米管拉花結構分子模型 92
5.2.2 碳納米管拉花結構拉伸力學性質 94
5.3 碳納米管/石墨烯納米帶混雜體 105
5.3.1 碳納米管/石墨烯納米帶混雜體及其復合材料的制備 105
5.3.2 碳納米管/石墨烯納米帶混雜體增強復合材料的力學性質 107
5.3.3 碳納米管/石墨烯納米帶混雜體從基體中拔出分子動力學模擬 109
第6章 氧化石墨烯基薄膜/空心球混雜體 114
6.1 引言 114
6.2 單片多層氧化石墨烯拉伸力學性質 114
6.2.1 測試材料準備 114
6.2.2 單片多層氧化石墨烯的原位拉伸測試 115
6.2.3 單片多層氧化石墨烯的拉伸斷裂機制 116
6.2.4 單片多層氧化石墨烯的拉伸分子動力學模擬 119
6.3 氧化石墨烯基薄膜/空心球混雜體的制備及結構表征 123
6.4 氧化石墨烯基薄膜/空心球混雜體的拉伸力學性質 127
6.5 空心球與薄膜之間的結合強度 128
6.5.1 結合強度的原位力學測試及結果分析 128
6.5.2 空心球從薄膜剝離的分子動力學模擬 130
6.6 空心球的壓縮力學性質 131
6.6.1 空心球原位壓縮測試及結果分析 131
6.6.2 空心球壓縮的分子動力學模擬 133
6.7 氧化石墨烯基薄膜/空心球混雜體夾層復合材料 138
6.7.1 夾層復合材料的制備 138
6.7.2 夾層復合材料的拉伸力學性能測試及結果分析 138
總結與展望 140
參考文獻 141
附錄 與本書內容相關的已發表的學術論文、發明專利及獎勵 161
編后記 163
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碳納米材料的結構及其力學 節選

第1章 緒論 1.1 引言 隨著社會的不斷發展,人們對于輕質高強材料的需求日益增長。傳統碳纖維作為高新技術下驅動而成的超強材料,為對材料的強度、密度、穩定性等性能要求極其嚴苛的航空航天以及國防等領域的發展奠定了堅實的基礎。然而,目前碳纖維的力學性能逐漸接近其理論極限并且相關制備難度和成本急速上升,在不遠的將來可能很難滿足高新技術對材料性能的需求。近年來,卡拜、碳納米管、石墨烯等碳納米材料由于其極高的理論強度而備受青睞。通過不同的制備方法,人們獲得了具有不同宏觀形貌的碳納米材料,并且研究發現碳納米材料在多個領域中具有非常廣闊的應用前景。因此,為了進一步推動碳納米材料在工程實際當中的應用,采用理論分析的方法,基于跨尺度的概念,系統分析結構內部的增強機理、優化材料拓撲結構、提升其力學性能具有極其重要的意義。 1.2 碳納米材料研究進展 1.2.1 碳納米材料的制備 近年來,具有獨*的準一維、二維結構的碳納米材料如卡拜、碳納米管、石墨烯等,由于其優異的力學、熱學以及電學性能而受到了專家學者們的廣泛關注[1-3]。眾所周知,納米材料的形態、尺寸對其性能以及潛在應用有很大影響,因此碳納米材料的合成方法已成為碳納米科學和納米技術十分重要的一部分,并為研究碳納米材料的多功能性質和應用奠定了基礎[4]。本節將對幾種典型的碳納米材料的制備工藝進行簡要的概括與總結。 1. 卡拜的制備 20世紀80年代,一種新型的能夠穩定存在的單原子卡拜結構被人們在宇宙塵埃和隕石中發現[5, 6],理論上卡拜存在兩種分子結構,分別為Cumulene型和Polyyne型,Cumulene型卡拜中碳原子由碳-碳雙鍵連接,Polyyne型卡拜中碳原子由碳-碳單鍵和碳-碳三鍵交替連接。近年來,人們為了獲得這種具有十分優異物理化學性質的一維鏈狀結構投入了大量的精力,目前制備卡拜的方法總體上可分為物理方法和化學方法兩大類[7, 8]。 制備卡拜的物理方法主要為物理蒸氣沉積方法,其主要原理為利用放電或者激光燒蝕產生碳蒸氣或等離子體,隨后采用惰性氣體或者液體對其淬火從而產生不穩定的碳原子集群,這種碳原子集群沉積到基體上便會形成卡拜結構。基于獲得等離子體的方式不同,制備卡拜的方法主要有超聲速集群束沉積法[9]、激光蒸發方法[10, 11]、飛秒激光燒蝕石墨法[12, 13]。采用上述方法獲得的產物主要以薄膜的形式附著在基體上,分析發現,薄膜中sp雜化碳原子基團的比例可達40%,表明薄膜內部存在大量的卡拜結構[14-16]。 制備卡拜的化學反應主要有乙炔脫水縮聚反應、鹵化物縮聚反應、聚合物的脫鹵化氫反應以及乙炔基的二聚反應[17-19]。基于乙炔脫水縮聚反應、鹵化物縮聚反應以及聚合物的脫鹵化氫反應方法,通過一次化學反應便可獲得卡拜結構,但整個反應過程受合成方案的限制,從而使得制成的卡拜多為分散的,相關產物的狀態表征也存在一定的挑戰性。當利用乙炔基的二聚反應制備卡拜時,能夠指定卡拜的長度和端部官能團[7, 8, 20, 21]。雖然使用化學方法能夠大量制備卡拜結構,但在化學反應過程中,其組分過于復雜,并且副產物較多,生產效率也很低。近年來,人們主要還是采用物理方法來制備卡拜結構,物理方法的制備工藝更加簡單,并且可以一步直接合成高純度的卡拜樣品。然而,受當前實驗技術的限制,目前大量制備超長卡拜結構仍存在諸多挑戰[7-11],因而針對卡拜纖維結構的研究無論是從理論還是實驗角度目前仍處于起步階段。 2. 碳納米管的制備 碳納米管是碳的同素異形體,可以被視為由蜂窩狀碳六元環管壁(石墨烯片)卷起的無縫圓柱體,于1991年由Iijima等[22]使用電弧放電技術發現,并使用高分辨率透射電子顯微鏡對這些碳納米管進行表征。單壁碳納米管(SWCNT)可視為由一個石墨烯片卷曲而成,而多壁碳納米管(MWCNT)可視為由多個石墨烯片卷曲而成。根據六邊形沿著軸向的排列取向不同,碳納米管可分為之字型、扶手椅型和螺旋型三種不同類型,可使用手性指數(n,m)指定其結構[23]。 生產碳納米管*常用的方法是電弧放電法[24, 25]、激光燒蝕法[26, 27]和化學氣相沉積法[28]。電弧放電法是制備碳納米管*簡單的方法,這種方法通過兩個碳棒在充滿惰性氣體的氛圍中進行電弧蒸發來制造碳納米管[25],該方法生成的碳納米管的產率、純度和質量取決于惰性氣體的性質和壓力。然而,該技術會產生大量復雜的成分,通常需要進一步純化將碳納米管與雜質分離。與電弧放電法類似,激光燒蝕法同樣是在惰性氣體(如氦氣)的存在下進行碳納米管的生長,在該技術中脈沖激光照射在高溫反應器中的石墨靶上,使石墨靶蒸發,生成的碳納米管被冷凝并收集[27]。雖然該方法能夠生產高質量的碳納米管,但是該方法的缺點是生產激光成本高,而且由于需要非常大的石墨靶,因此大規模生產不可行。相比于電弧放電法和激光燒蝕法,化學氣相沉積法已被證明是大規模生產碳納米管的首選方法[29]。化學氣相沉積法是在高溫爐中借助負載型過渡金屬催化劑將碳源催化分解為活性原子碳之后,在襯底上進行化學反應生成碳納米管。該方法具有碳納米管產量高、溫度要求較低以及可在常壓下進行的優點,這使得該過程成本低且易于實驗室應用[30]。此外,化學氣相沉積法允許控制所生產的碳納米管的形態和結構,并且可以制備具有定向排列結構的碳納米管[31, 32]。然而該方法也有一定的缺點,如制備的碳納米管具有結構缺陷以及需要長時間的生長過程[29]。此外,諸如氣相生長法[33]和浮動催化劑法[34]等方法也可實現高質量、高純度碳納米管的生長。 3. 石墨烯的制備 石墨烯在2004年由Novoselov等[35]成功制備,具有由碳六元環組成的單層蜂窩狀結構。石墨烯具有雜化的sp2鍵,面內碳原子之間通過共價鍵連接,pz軌道上未成鍵的電子形成的大π鍵垂直于該平面,這種獨*的鍵合方式使石墨烯具有獨*的電學和力學特性[36]。 石墨烯的制備方法主要分為以下五類:機械剝離法[35, 37]、外延生長法[38]、化學氣相沉積法[39-41]、溶劑中剝落石墨法[42]以及其他類型的方法[43-45]。機械剝離法使用機械能或化學能來破壞石墨烯片之間的弱相互作用,并將單個石墨烯片與其他石墨烯片分離。透明膠帶法是一種十分流行的機械裂解方法,通過對高度取向的熱解石墨進行重復機械剝離便可獲得石墨烯結構[35]。然而該方法無法大規模生產石墨烯,且在此過程中會產生大量石墨碎片或薄片。獲得石墨烯的另一種方法是在低壓以及高溫的條件下,在單晶碳化硅(SiC)表面進行外延石墨烯的生長[42]。然而該方法在一定程度上受到晶體尺寸以及石墨烯轉移困難的限制。化學氣相沉積已成為制備和生產用于各種應用的大面積高質量石墨烯的重要方法。含碳氣體在某些金屬(催化劑)表面化學氣相沉積,該方法中金屬襯底的質量及其預處理方法(拋光)對石墨烯的生長及質量特別重要。目前,在銅箔金屬襯底表面已經可生長大尺寸的單層石墨烯[39]以及連續的單層石墨烯薄膜[40]。近年來,研究者也相繼開發了無底物氣相合成以及電弧放電等較為新穎的合成方法[46, 47]。然而開發一種簡單、高效、可重復并且合成溫度較低的方法制備高質量、大面積的石墨烯仍然是一個挑戰。 對于氧化石墨烯,通常使用片狀石墨作為起始材料,并利用各種強化學氧化劑來合成氧化石墨烯(GO)。一般來說,氧化石墨烯是通過Brodie法、Staudenmaier法、Hummers法以及相應的改進方法制備而成的[48]。Brodie法和Staudenmaier法用氯酸鉀(KClO3)和硝酸(HNO3)混合之后對石墨進行氧化,而Hummers法使用高錳酸鉀(KMnO4)和硫酸(H2SO4)處理石墨,該方法反應時長較短且不會產生有害的氣體(二氧化氯),是目前*常用的一種方法[49]。由于氧化石墨烯表面有許多含氧活性基團(環氧基、羥基和羧基等),氧化石墨烯相比石墨烯更具有親水性,在多種溶劑特別是在水中尤其容易分散[50, 51]。 鑒于碳納米材料成熟的制備方法、獨*的力學特性,采用多種不同的制備方法構筑宏觀尺度下的纖維、薄膜以及塊體結構,將在*大程度上發揮碳納米材料的優勢。對碳納米材料本身及其復合材料的力學性能以及結構進行探究,對其廣泛的應用有著深遠的影響。 1.2.2 碳納米材料的力學性能及其多功能應用 1. 卡拜力學性能 目前由于實驗上獲得卡拜結構仍具有很大挑戰,因此科研工作者們首先采用理論分析方法探究了卡拜結構的力學性能[52-55]。例如,基于**性原理方法,Timoshevskii等[52]揭示了Cumulene型卡拜的力學性能與原子數之間的關系,研究發現,當原子數較少時,原子數為奇數的卡拜斷裂強度高于原子數為偶數的卡拜,但相比于原子數為偶數的卡拜,原子數為奇數的卡拜更易發生斷裂,當碳原子數超過10時,卡拜的力學性能與原子數的奇偶關系不大。需要指出的是,基于**性原理分析,碳原子數為5的卡拜的斷裂強度*高,可達417GPa,遠高于常見的工程材料。同樣基于**性原理分析方法,Liu等[53]探究了卡拜在拉伸、彎曲以及扭轉變形情況下的力學響應,研究發現,在拉伸載荷作用下,卡拜的斷裂強度高達7.5×107 N m/kg,然而需要指出的是,由于卡拜由單個碳原子互相連接而成,因此卡拜的扭轉剛度幾乎為0。此外,基于能量分析的方法計算得到卡拜的彎曲剛度為3.56 eV A。另外,人們采用分子動力學模擬方法探究了卡拜的力學性能,研究發現,Polyyne型卡拜的彈性模量高達288GPa,并且短卡拜的振動頻率高達6 THz[54]。值得注意的是,通過分子動力學模擬發現,當溫度達到499K以上時,Cumulene型卡拜會發生相變成為Polyyne型卡拜,在這一過程中,碳-碳共價鍵由雙鍵變為單鍵和三鍵,因而需要克服一定的能壘,使得Cumulene型卡拜的斷裂強度高達590GPa,楊氏模量為1753GPa。 2. 碳納米管力學性能及潛在應用 對于碳納米管,其具有極高的強度、模量和斷裂韌性。人們分別采用理論分析和實驗測量的方法分析了碳納米管的力學性能。Belytschko等[56]通過分子動力學模擬單壁碳納米管拉伸過程,發現碳納米管的局部斷裂位置是比較隨機的,但是強度的變化不大。理論預測碳納米管的斷裂強度為93GPa±1GPa,楊氏模量可達1.10 TPa±0.1 TPa,斷裂應變為15.8%±0.3%。此外,Duan等[57]提出了一種基于修正的Morse勢和REBO勢建立的非線性分子力學模型,基于該模型分析得出,鋸齒形碳納米管的斷裂強度為134.01GPa,斷裂應變為43%。對于碳納米管的彎曲行為,Duan等[58]通過分子動力學模擬方法發現,隨著彎曲角度的增大,碳納米管呈現出從均勻彈性彎曲到局部屈曲的轉變,并且碳納米管的厚度和直徑大小對屈曲模式均有影響。另外,Treacy等[59]首先利用透射電鏡原位測量的方法,發現碳納米管的楊氏模量可達1 TPa。隨后,Demczyk等[60]在透射電鏡下對多壁碳納米管進行了原位拉伸實驗,測量得到其斷裂強度為150GPa,楊氏模量為0.9TPa,并且在斷面沒有明顯的徑向收縮。Zhu和Espinosa[61]通過一種新型的材料原位力學測試系統測量得到多壁碳納米管的斷裂強度為15.84GPa,原子圖像顯示,在塑性加載階段碳納米管晶體結構會轉變為無定形碳。Kuzumaki等[62]在透射電鏡下對碳納米管進行了原位彎曲實驗,觀察到碳納米管在彎曲過程中發生了塑性變形,且發生彎曲變形是由于碳的圓柱形網絡的壓縮側發生屈曲,表明碳納米管具有很好的柔韌性。碳納米管除了具備超強的力學性能,其電學、熱學性能同樣十分優異,研究發現,碳納米管的電導率高達1×106~2×106 S/cm、導熱率高達3000~3500 W/(m K)[63

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