[論文レビュー] Effects of Defects on the Strength of Nanotubes: Experimental-Computational Comparisons

Ted Belytschko, Shaoping Xiao+1 more|ArXiv.org|May 30, 2002

Boron and Carbon Nanomaterials Research被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、原子スケールの欠陥（n = 2–8 原子）が破壊応力とひずみを顕著に低下させることを示唆することで、カーボンナノチューブの実験的および計算的強度値のギャップを埋めることに成功した。分子力学シミュレーションでは、破壊応力が 36–64 GPa、ひずみが 4–8% に達し、実験データの上位範囲（11–63 GPa、2–13%）とよく一致しており、両者におけるずれの原因はずれおよび破壊的破壊に起因すると特定した。

ABSTRACT

The failure stresses and strains of nanotubes given by theoretical or numerical predictions are much higher than observed in experiments. We show that defects can explain part of this discrepancy: for an n-atom defect with 2<=n<=8, the range of failure stresses for a molecular mechanics calculation is found to be 36GPa to 64GPa. This compares quite well with upper end of the experimental failure stresses, 11GPa to 63GPa. The computed failure strains are 4% to 8%, whereas the experimental values are 2% to 13%. The underprediction of failure strains can be explained by the slippage that occurred in the experiments. The failure processes of nanotubes are clearly brittle in both the experiments and our calculations.

研究の動機と目的

• カーボンナノチューブにおいて、高い理論的／計算的強度予測と低い実験的測定値の間で長年の継続する不一致を解消すること。
• 原子スケールの欠陥（2–8 原子）が単層カーボンナノチューブの機械的破壊に与える影響を調査すること。
• 分子力学シミュレーションの結果と実験データを比較し、欠陥が観察される強度の低下に果たす役割を評価すること。
• 欠陥誘発の破壊メカニズムが、実験で観察される破壊的挙動およびひずみの低予測を説明できるかどうかを特定すること。

提案手法

• 制御された原子欠陥（n = 2～8 原子）を有する単層カーボンナノチューブの機械的応答をモデル化するために分子力学シミュレーションが用いられた。
• シミュレーションでは、原子間相互作用をモデル化するための力場を用いて、引張荷重下での破壊応力とひずみを計算した。
• 構造的安定性および荷重耐性への影響を評価するために、特定の位置に欠陥を導入した。
• 破壊応力とひずみの範囲に注目し、シミュレーション結果をナノチューブの引張試験からの実験データと直接比較した。
• 破壊モードの評価を含み、両者で破壊的破壊が確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 原子スケールの欠陥（2–8 原子）がカーボンナノチューブの破壊応力とひずみをどの程度低下させるか。
• RQ2 分子力学シミュレーションは、ナノチューブの実験的破壊挙動をどの程度正確に再現できるか。
• RQ3 なぜ実験で観察される破壊ひずみは、シミュレーションの予測値よりも高いのか。
• RQ4 欠陥が、理論的予測と実験的測定値の間の強度ギャップを説明する上で果たす役割は何か。

主な発見

• 分子力学シミュレーションによる破壊応力範囲（36–64 GPa）は、実験的破壊応力の上位範囲（11–63 GPa）とよく一致している。
• シミュレーションによる破壊ひずみ（4–8%）は、実験値（2–13%）よりも低いが、これは実験におけるずれがシミュレーションでのひずみを低く見積もっている可能性を示唆している。
• 両方のシミュレーションと実験で破壊的破壊挙動が確認され、破壊直前における延性変形は観察されなかった。
• 2–8 原子の欠陥はナノチューブの強度を顕著に低下させ、理論的高予測と実験的低値のギャップの一部を説明できる。