多重边界约束及端部缺失对多壁碳纳米管振动特性的影响

Carbon nanotubes(CNTs) have been among the most promising materials for nanoelectronics, nanodevices, and nanocomposites because of their excellent physical, electronic and mechanical properties, and CNTs, as the configurable parts, play the important role in Micro/nano device/systems, so it is very important to describe exactly CNTs' properties. As we noted that the some recent experiments have showed that measured resonant frequencies of Multi-Walled CNTs were often much lower than the theoretical resonant frequencies, the mechanical properties including the CNTs' module based on these values maybe incorrect. What happens between the experiment and the theory? This project aim at discussing the effects of multiple boundary constraints and ends vacancy, and scale effect/nonlocal effect/surface effect/nonlinear effect and coupled fields on the vibration characteristics of multi-walled CNTs by extend continuum and MD approach and experiment, and discriminate the diathesis that affects the resonant frequencies of MWCNTs/systems and their operating mechanism ever neglected, and confirm the material parameters independent of the above diathesis.

碳纳米管，因其优异的力学性能在纳米器件、微纳机电系统、纳米复合材料等领域被广泛应用. 碳纳米管作为结构单元在微纳尺度结构和器件设计中起重要作用，因此碳纳米管的力学性质的精准描述非常重要。我们关注到实验[30]所测多壁碳管的固有频率远低于理论值(超过30%), 以此为基础的力学性质分析，如模量等，非常的不精准. 产生这种差异的真正原因是我们关注的核心问题. 本项目旨在通过理论建模分析和数值方法以及实验等方式讨论多重边界约束和端部缺失对多壁碳纳米管振动特性的影响, 以及其他尺度效应/非局部效应/表面效应/非线性效应/外场作用等的耦合影响, 确定以往不曾关注到的影响碳纳米管及系统的振动频率及至力学性质的因素和作用机制, 特别是不依赖于上述因素的结构物性参数的确定,为其广泛应用提供可靠的科学依据

本项目旨在分析和研究微纳尺度结构/材料的物性参数的边界效应/尺度效应以及耦合效应影响，为进一步确定/分析结构/材料的物性参数、系统/器件设计等提供理论支持。.本项目完成预定的目标和任务：.一、 项目执行期间发表12篇SCI论文（通讯作者论文9篇，所有论文标注），其中一区期刊论文7 篇，二区期刊论文 3 篇，ESI论文2篇，ESI热点论文(hot paper)2篇。培养博士（生）4人。.二、成果及意义.（1）研究了内嵌质量链的碳纳米管在不同的激励下的振动问题，发现了内嵌质量链的碳纳米管的振动频率依赖内嵌链的质量和质量链与碳纳米管相互作用的范德华力的系数。特别的，在一定的激励频率范围内，因其内部的自由度发生改变，振动时产生局部共振现象，并且可以在一定的频率范围内表现出负有效质量的超材料特性。承受不同拉压张力作用的多层石墨烯也表示了类似的性质。这使得设计新的具有负质量的弹性超材料，或者开发/设计特殊功能的微纳器件及系统等成为可能。弹性超材料具有广泛的应用前景。分子动力学方法对这一结论进行了验证，定性结果完全类似。.（2）确定材料或结构的物性参数等，通常的手段之一是测量其振动频率。但由于测试手段/方法的不同，往往导致很大的误差，其中的机制是什么值得关注。针对多壁碳管或多层石墨烯，发现：不同分布的边界力的作用产生的振动频率差别很大。振动频率不仅依赖外激励，也跟外分布力及方式有关（包括边条件导致的接触等）。.（3）讨论了计及高阶剪切效应的碳纳米管或纳米梁的弯曲和屈曲行为，不仅获得了更为合理的解，也发现了依赖多参数的stiffness-softening 效应或 stiffness-hardening 效应。结合理论与分子动力学方法，研究了石墨烯的面内剪切导致的起皱和断裂问题，分析了调控机制，尺度效应和手性及参数等的影响。.相关工作为进一步的柔性电子器件设计及应用提供理论基础。