碳纳米管的振动力学分析

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1、-第1章绪论第1章绪论1.1课题研究背景本课题来源于自由研究。研究表明碳纳米管具有十分优异而独特的电学、力学、磁学、热学、化学特性等。在力学性能方面，碳纳米管的强度、韧性和弹性模量极高，为已知材料中最高的。无论是强度还是韧性，碳纳米管都优于任何已知的纤维材料。碳纳米管作为复合材料的增强体，可表现出良好的强度、弹性和抗疲劳性。根据最新资料记载，碳纳米管可以制造纳米级机械设备，例如：纳米振荡器、电荷探测器、纳米钟、场发射装置、纳米马达和传感器。还可能具有其他方面的应用，例如：微波放大器、真空电源开关和制版技术。此外，碳纳米管在

2、医学领域也具有广泛的应用。但是，现有的研究手段和方法有一定的局限性，并不能充分开展碳纳米管的研究工作。因此，非常有必要进行碳纳米管相关性质的研究工作。除了力学性能的研究外，还需要研究碳纳米管的电学、光学、热学性能等。本文就是围绕碳纳米管的力学性能进行研究。1.2碳纳米管的简介碳纳米管(carbonnanotulbes，CNTS)是由一层或者数层石墨层片按照一定的螺旋角卷曲而形成的，一般是直径为纳米量级的无缝空心管。由一层石墨层片卷曲而成的称为单壁碳纳米管(single-wallcarbonnanotulbes，SWCNTs

3、)，由数层石墨层片卷曲而成的称为多壁碳纳米管(multi-wallcarbonnanotubes,MWCNTs)，特别由双层石墨层片卷曲而成的成为双壁碳纳米管（double-wallcarbonnanotubes,DWCNTs）。碳纳米管是富勒碳家族中的一个重要成员，是晶形碳的另一种同素异形体。从石墨、金刚石到富勒碳，再到碳纳米管，晶形碳的结构日趋完美（从零维到三维）。碳纳米管由于具有许多优异而独特的机械、力学、电学、热学、光学、化学特性以及广阔的潜在应用前景引起了科学界的广泛关注。特别是近年来，大量的科学家和学者投身于碳

4、纳米管领域的研究工作，取得了可喜的研究成果[1-6]。-1----哈尔滨工业大学理学硕士学位论文1.1碳纳米管的发现长期以来，人们一直认为碳的晶体结构只有两种:金刚石和石墨。1985年，美国科学家Smalley及Curl、英国科学家Kroto等人在利用激光照射石墨使其蒸发的实验中发现了两种不明晶体[7]，其分子量分别为碳的60倍与70倍，因而将它们命名为C与，也叫做“巴基球”(Buckminsterfullerene，C6070也叫做Buckyball)，见图1-1[8]。之后的研究证实这类结构属于碳元素除金刚石、石墨和无

5、定形碳之外新的同素异形体，命名为“富勒烯”(Fullerene)。三位科学家也因在富勒烯研究中的杰出贡献共同荣获了1996年的诺贝尔化学奖。图1-1C60的结构图[8]Fig.1-1ThestructureofC[8]60继在1985年被发现及1990年实现批量生产后，一项重要的发现发C60生在日本。1991年。日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家Iijima在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子[9]，这就是我们现今研究的碳纳米管。Iijima指出这

6、种管状结构是由类似石墨的六边形网格所组成的管状物，其中一层碳纳米管的结构示意图如图1-2所示，六边形网格的交点即为碳原子所在。同时，碳纳米管一般两端封闭，直径在几纳米到几十纳米之间，长度几十纳米到微米级。Iijima最初将他发现的这种独特的石墨管状结构称为----2----第1章绪论“Graphitetubular”,后来又有人将其称为”Buckytube”，现在，我们一般称为“carbonnanotulbes”，中文翻译为“碳纳米管”。图1-2碳纳米管[5]Fig.1-2Thecarbonnanotubes[5]可以确信

7、的事实是，早在Iijima在1991年发现碳纳米管之前，就已经有科学家制备并且观察过碳纳米管。早在1889年，就有一项专利阐明了如何制备一维碳纳米材料[10]，其产物当中就可能包含了碳纳米管。在20世纪 60-70年代，美国学者Bacon在1960年制备出纳米尺寸的卷曲石墨结构[11]，并使用电子显微镜和X射线衍射技术确定了产物的微观结构。根据最近的一 篇文章指出[12]，Iijima在1991年制备的产物中，同时包含碳的卷曲结构和管状结构，说明Bacon的制备产物中也可能含有管状结构。另外，新西兰坎特伯雷大学的Wiles

8、和Abrahamson在20世纪70年代研究过使用石墨电弧法制备碳纤维[13]，他们曾发现其中一个电极表面覆盖着一层“细小的纤维状物质”。1979年，电子衍射结果表明这些“纤维”的每一层结构同石墨的层片结构类似。他们描述这些结构是由数层碳纳米管“套在一起”而成的，这可能是关于多壁碳纳米管的最早描述。他们