碳纳米管高温位错动力学研究

碳纳米管中常温下静止的位错在高温时会滑移、攀移和交叉滑移，这种位错滑移还会引起多壁碳纳米管不同层管壁间的交叉耦合，将改善多壁碳纳米管的力学性能，增强碳纳米管的强度，碳纳米管高温位错动力学研究对理解碳纳米管的电学、力学和热学性质有重要的理论意义和科学价值。我们认为，高温导致碳纳米管中位错周围局部熔化而发生预熔化，位错产生的内应力在释放过程中致使位错滑移和攀移。本项目首先通过研究含有位错碳纳米管的预熔化性质，确定位错活化的预熔化温度，对含有位错碳纳米管进行结构优化，在预熔化温度下采用分子动力学方法分别模拟刃位错运动导致的位错滑移和位错攀移，模拟刃位错与螺位错交叉运动导致多壁碳纳米管的变形，进而研究高温下多壁碳纳米管中位错环的生长过程，分析位错致使碳纳米管强度优化、缺陷修复以及位错生长的机理，推演出碳纳米管高温位错动力学的一般规律，探求碳纳米管位错的高温应用前景，加速推动碳纳米管高温应用的进程。

碳纳米管中常温下静止的位错在高温时会滑移、攀移和交叉滑移，这种位错滑移还会引起多壁碳纳米管不同层管壁间的交叉耦合，将改善多壁碳纳米管的力学性能，增强碳纳米管的强度，碳纳米管高温位错动力学研究对理解碳纳米管的电学、力学和热学性质有重要的理论意义和科学价值。本项目采用分子动力学方法对碳纳米管高温位错动力学进行研究探索。通过研究含有位错碳纳米管的预熔化性质，确定位错活化的预熔化温度为2300 K左右。研究表明，高温下多壁碳纳米管外层管Stone-Wales缺陷处碳原子剧烈振动导致C-C键断裂形成悬键，并逐渐向四周扩散导致外层管剥落蒸发。利用Lindemann指数作为判据，得出多壁碳纳米管外层管出现剥落蒸发的温度为2290 K左右，与实验中观测到多壁碳纳米管外层管剥落蒸发现象很好地吻合。在高温条件下，碳纳米管五七拓扑缺陷中的五边形两翼的两个C原子拥有较低的移除能，更容易被蒸发离开体系。我们提出高能量的原子优先被蒸发的机制，发现连接结的移动依赖于纳米管的手性。两锯齿纳米管连接结的移动既有直线运动又有螺旋运动，两扶手椅纳米管连接结的移动为有趣的周期螺旋运动，拓扑缺陷还会再复合。随着最活跃的原子不断蒸发，扭结有复杂的直线和螺旋运动，与实验观察到的扭结直线或螺旋运动相吻合。高温导致碳纳米管中位错周围局部熔化而发生预熔化，位错产生的内应力在释放过程中致使位错滑移和攀移。熔化最初出现在位错附近，在预熔化温度下，由刃位错和螺位错组成的位错环开始收缩呈现修复能力。我们的模拟研究提出了碳纳米管内位错微观移动的机理，有望在电子器件方面得以应用。