[논문 리뷰] Effects of Defects on the Strength of Nanotubes: Experimental-Computational Comparisons

Ted Belytschko, Shaoping Xiao외 1명|ArXiv.org|2002. 05. 30.

Boron and Carbon Nanomaterials Research인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 원자 체계 결함(n = 2–8 원자)이 파손 응력과 변형률을 크게 감소시킨다는 것을 보여줌으로써 실험적 및 계산적 탄소 나노튜브 강도 값 사이의 격차를 메운다. 분자 역학 시뮬레이션은 실험 데이터의 상한 범위(11–63 GPa, 2–13%)와 밀접하게 일치하는 파손 응력 36–64 GPa 및 변형률 4–8%를 도출하였으며, 이들의 격차는 둘 다에서의 난류 및 취성 파손에 기인한다고 설명한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 탄소 나노튜브에서 높은 이론적/계산적 강도 예측과 낮은 실험 측정값 사이의 지속적인 격차를 해결하기 위해.
• 원자 체계 결함(2–8 원자)이 단일벽 탄소 나노튜브의 기계적 파손에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 실험 데이터와의 비교를 통해 분자 역학 시뮬레이션 결과가 결함의 역할을 평가하기 위해.
• 결함 유도 파손 메커니즘이 실험에서 관찰된 취성과 변형률 과소 예측을 설명할 수 있는지 판단하기 위해.

제안 방법

• 제어된 원자 결함(n = 2에서 8 원자)을 가진 단일벽 탄소 나노튜브의 기계적 거동을 모델링하기 위해 분자 역학 시뮬레이션을 사용하였다.
• 상호작용을 모델링하기 위해 힘장(fitield)을 사용하여 인장 하중 하에서의 파손 응력과 변형률을 계산하였다.
• 구조적 안정성과 하중 지속 능력에 대한 영향을 평가하기 위해 특정 위치에 결함을 도입하였다.
• 실험적 데이터와 직접 비교하여 파손 응력과 변형률의 범위를 분석하였다. 이는 나노튜브의 인장 시험에서의 실험 데이터를 기반으로 하였다.
• 파손 모드 평가를 포함하여, 시뮬레이션과 실험 모두에서 취성 파손이 발생하는 것으로 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 원자 체계 결함(2–8 원자)이 탄소 나노튜브의 파손 응력과 변형률을 어느 정도 감소시키는가?
• RQ2 분자 역학 시뮬레이션은 나노튜브의 실험적 파손 거동을 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ3 왜 실험적으로 관측된 파손 변형률은 시뮬레이션 예측보다 높은가?
• RQ4 결함은 이론적 예측과 실험 측정값 사이의 강도 격차를 설명하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 분자 역학 시뮬레이션에서의 파손 응력 범위(36–64 GPa)는 실험적 파손 응력의 상한(11–63 GPa)과 밀접하게 일치한다.
• 시뮬레이션된 파손 변형률(4–8%)은 실험 값(2–13%)보다 낮으며, 이는 실험에서의 난류가 시뮬레이션에서의 변형률을 과소 평가한다고 시사한다.
• 시뮬레이션과 실험 모두에서 취성 파손 거동이 나타나, 파손 이전에 연성 변형이 일어나지 않음을 확인한다.
• 2–8 원자로 구성된 결함은 나노튜브의 강도를 크게 감소시키며, 이는 높은 이론적 예측값과 낮은 실험 결과 사이의 격차를 설명하는 데 일부 기여한다.