碳纳米管及其金属基复合材料力学性质的模拟研究

碳纳米管（CNT）具有非常优异的力学和物理性能，但目前以CNT增强的金属基复合材料远未达到期望的性能，其主要原因是CNT与金属基之间界面结合强度弱以及多壁CNT层间载荷传递能力差所致。本项目采用分子动力学模拟方法系统研究CNT/金属界面以及CNT自身的力学性能对CNT金属基复合材料的强度和断裂行为的影响，旨在探求提高CNT金属基复合材料力学性能的途径。本项目主要研究：1）在CNT外管掺杂（或嫁接）可以与金属基(Mg、Au、Ni等)原子形成强键的原子对CNT和金属基之间载荷传递能力的影响；2）在多壁CNT层间添加原子或sp3键对多壁CNT层间载荷传递能力的影响；3）CNT外管掺杂（或嫁接）其它原子对CNT本身力学性能的影响。该项目的成功完成将揭示多壁CNT层间以及CNT和金属基之间相互作用的微观机理，为设计和制备更高力学性能的多壁CNT和CNT金属基复合材料提供科学的理论依据。

为了探索提高碳纳米管（CNT）与金属基之间界面结合强度、多壁CNT层间载荷传递能力、纳米多晶金属材料力学性能的途径。本项目采用分子动力学模拟方法主要对以下几个方面的内容进行了研究：1）研究了镍原子镀层对CNT（石墨烯）和金属基(金、铝等)之间载荷传递能力的影响；2）研究了CNT层间添加原子或sp3键对多壁CNT层间载荷传递能力的影响；3）研究了CNT外管掺杂（或嫁接）硼原子对CNT本身力学性能的影响；（4）研究了CNT的半径对石墨烯自卷曲举止的影响，并对石墨烯卷曲后结构的力学性能进行了系统分析；（5）研究了堆垛层错、孪晶、晶粒尺寸、界面对纳米多晶金属力学性能的影响，并研究了加载过程中纳米多晶金属材料微观结构的演化规律。研究发现：（1）虽然镍镀层降低了CNT（石墨烯）自身的力学性能，但是有效的提高了CNT（石墨烯）与金属基直接的载荷传递能力；（2）管间添加原子或sp3键能明显增强CNT管间的载荷传递能力，管间添加原子或sp3键密度对CNT的力学性能也有明显影响；（3）硼嫁接和硼掺杂虽然降低了碳纳米管本身的力学性能，但在同样的修饰密度下，硼嫁接对碳纳米管力学性能的影响要明显低于硼掺杂对碳纳米管力学性能的影响；（4）CNT的半径对石墨烯的自卷曲有明显的影响，当CNT的半径大于某一临界值时，石墨烯以CNT为轴进行自卷曲，而且发现在石墨烯自卷曲之前的边缘镀镍能有效提高卷曲结构的力学性能；（5）合适的晶粒尺寸、孪晶厚度、堆垛层厚度能有效提高纳米多晶金属材料的力学性能。该项目的完成揭示了多壁CNT层间以及CNT和金属基之间相互作用的微观机理，探明了纳米多晶金属材料的变形机制和强化机理，为设计和制备更高力学性能的多壁CNT、CNT金属基复合材料以及纳米多晶金属材料提供了科学的理论依据。