カーボンナノチューブの塑性変形の制御と塑性変形シミュレーターの構築

碳纳米管塑性变形的控制及塑性变形模拟器的构建

基本信息

批准号：
17760082
负责人：
尾方成信
金额：
$ 1.86万
依托单位：
Osaka University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2005
资助国家：
日本
起止时间：
2005 至 2006
项目状态：
已结题

项目摘要

カーボンナノチューブの塑性変形を制御するための基礎的知見である、ナノチューブ中で起こる塑性変形のプロセスの詳細と、塑性変形を実現するために必要な外的条件を、シミュレーションによるエネルギー論的な考察に基づいて得た。具体的な手法としては、ボンドオーダー原子間ポテンシャルに基づく最小反応エネルギー経路探索法(Nudged Elastic Band法)を用いた。その結果、単層カーボンナノチューブ中で起こる結合の回転が塑性変形の素過程であることを見出し、この結合の回転が継続的に起こることで結果として永久的に曲がったナノチューブができることを示した。また、この結合の回転が継続的に起こるためには、熱的に活性化するだけでは十分ではなく、熱とともにナノチューブに曲げを生じさせるような力学的外部負荷を加えることにより始めて実現できることを示した。熱と力学負荷はともに重要であり、力学負荷だけでも塑性変形は生じず、熱を加えずに負荷だけをかけると弾性的に座屈してしまい、塑性変形が起こらないことを示した。本理論を用いることでカーボンナノチューブの塑性変形を制御することが可能となった。そして、これら一連の解析を容易に実行できるように塑性変形シミュレーターを作成した。また、本理論を単層だけでなく2層以上の層を有する多層カーボンナノチューブにも適用し、多層カーボンナノチューブの塑性変形をコントロールする条件を明らかにした。さらには塑性変形したナノチューブの熱伝導率を求めた。

控制碳纳米管塑性变形的基本知识是在纳米管中发生的塑性变形过程的细节，以及实现塑性变形所需的外部条件，利用能量考虑通过模拟获得的。作为具体方法，我们使用了基于键序原子间势的最小反应能量路径搜索方法（微移弹性带方法）。结果，他们发现单壁碳纳米管中发生的键旋转是塑性变形的基本过程，并表明这些键的连续旋转会导致纳米管永久弯曲。我们还表明，仅热激活不足以使该键连续旋转；只能通过施加热量和导致纳米管弯曲的外部机械负载来实现。结果表明，热载荷和机械载荷都很重要，单独的机械载荷不会引起塑性变形，单独施加载荷而不增加热量会导致弹性屈曲且不会产生塑性变形。利用这一理论，控制碳纳米管的塑性变形成为可能。我们还创建了一个塑性变形模拟器来轻松执行这一系列的分析。此外，该理论不仅适用于单壁碳纳米管，也适用于两层或多层的多壁碳纳米管，并阐明了控制多壁碳纳米管塑性变形的条件。此外，还测定了塑性变形纳米管的导热率。