碳@二硫化钼异质纳米管自激发振荡器的振荡机理研究

We will firstly present a novel self-excited heterogeneous oscillator based on carbon@MoS2 nanotubes (CNT@MST) which integrates the excellent semiconductor, lower energy dissipation and higher quality factor of the MSTs and higher specific strength of the CNTs. The proposed novel rotation-oscillation oscillator can provide the output of both rotational and oscillatory signals simultaneously by rotating the inner tube. The first principle is used to evaluate the potential functions for the MSTs and the interaction between the CNT and the MST, and then to determine the appropriate parameters. Based on the developed potentials, the molecular dynamics (MD) method is applied to investigate the influences of the chirallity, edge, temperature and rotational speed on the coupling relations between the rotational and translational motions. By combining the theoretical analysis and the MD simulations, we will propose a simple semi-analytical theoretical model to predict the dynamical frictions as a function of the speed, temperature edge effect and geometrical parameters of tubes, and then to understand the mechanism of the self-excited oscillation. The influences of the mechanical strain and defects on the oscillatory behaviors of CNT@MST oscillators will be also investigated systematically using the MD method. The proposed project can provide a convenient tool to optimize the CNT@MST heterogeneous nanotubes, and is also helpful for the design of the future NEMS devices such as nanomotors, nanobearings and nanoswitches.

利用二硫化钼纳米管（MST）优异的半导体性质与更低的能量衰耗和更高的品质因子，结合碳纳米管（CNT）更高的比强度，首次建立CNT@MST异质双壁纳米管自激发振荡器模型。这种新型转-振结合型振荡器通过内管高速旋转的输入，实现转动信号和振荡信号的同时输出。项目首先借助第一性原理确定描述MST以及CNT@MST层间相互作用的最佳势函数和参数。采用分子动力学方法预测纳米管手性、端部效应、温度和转速等对旋转与轴向运动耦合关系的影响。同时试图结合分子动力学和理论分析建立一个简单的半解析理论模型，预测层间摩擦力与速度，温度和边界效应，以及内外管几何参数等因素的关系，揭示自激发振荡机理。最后，采用分子动力学方法系统研究应变和缺陷对振荡行为的影响。通过本项目的研究，可以更加合理便捷地设计CNT@MST异质纳米管，同时也为开发下一代NEMS器件（如纳米马达、纳米轴承、纳米开关等）提供参考。

该项目构建了碳纳米管（CNT）、二硫化钼纳米管（MST）和氮化硼纳米管（BNNT）异质多壁纳米管纳米器件模型，并采用分子动力学法、半解析法和有限元法研究了相应的动力学性能。主要工作如下：（1）模拟了缺陷和温度对双壁碳纳米管（DWCNT）振荡性能的影响。结果表明：在低温下，对非公度DWCNT振荡器施加小的拉伸预应变能改善其品质因子和振荡稳定性。（2）研究了温度和初始旋转频率对DWCNT自激发振荡行为的影响。结果表明：自激发条件下，内管产生的轴向振荡是由端末效应、温度和手性共同作用的结果，其中边界效应起主要作用。（3）针对DWCNT振荡器的耦合效应进行了理论研究。DWCNT之间的范德华力用傅立叶级数的简单形式表示，拟合了DWCNT螺旋振荡器耦合方程的阻尼系数和耦合系数，给出了耦合方程的系数表达式。（4）建立了DWCNT有限元模型，采用非线性弹簧来实现管间的相互作用，研究了边界条件、长径比和管间距对内管振动模态和固有频率的影响。（5）利用分子动力学方法研究了CNT@MST振荡器的振荡行为。结果表明：相比于DWCNT振荡器，CNT@MST振荡器具有更宽的管间距范围。同时提出了CNT@MST螺旋振荡器，该振荡器可以同时输出平动和旋转信号，与CNT@CNT体系相比，CNT@MST螺旋振荡器具有更好的稳定性，更低的能量损耗率，更宽的可调节间距范围和更高的轴向振荡频率和临界稳定温度。（6）提出了三壁纳米管螺旋振荡器(CNT@CNT@CNT和CNT@CNT@MST)，通过对内管施加轴向激励和中管施加旋转激励的方式来同时获得内管和中管的螺旋信号输出。（7）建立了CNT@BNNT@CNT异质纳米传动系统（RTS）模型，模拟了其结构特性，并分别研究了RTS在真空和氦气环境下的动态响应。通过本项目的研究，可以更加合理便捷地设计CNT、MST、BNNT异质纳米管，同时也为开发下一代NEMS器件提供参考。