[论文解读] 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 12

一句话总结

本研究通过证明原子尺度缺陷（n = 2–8 个原子）显著降低断裂应力和应变，弥合了碳纳米管实验值与计算值之间的差距。分子力学模拟显示断裂应力为 36–64 GPa，应变为 4–8%，与实验数据的上界（11–63 GPa，2–13%）高度一致，并将差异归因于两种情况下均存在的滑移和脆性断裂。

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.

研究动机与目标

• 解决碳纳米管中理论/计算强度预测值偏高而实验测量值偏低的长期矛盾。
• 研究原子尺度缺陷（2–8 个原子）对单壁碳纳米管机械失效的影响。
• 将分子力学模拟结果与实验数据进行对比，评估缺陷在降低观测强度中的作用。
• 确定缺陷引发的失效机制是否可解释实验中观察到的脆性和应变预测偏低现象。

提出的方法

• 采用分子力学模拟方法，对含有受控原子缺陷（n = 2 至 8 个原子）的单壁碳纳米管进行机械响应建模。
• 通过力场模拟原子间相互作用，在拉伸载荷下计算断裂应力和应变。
• 在特定位置引入缺陷，以评估其对结构稳定性和承载能力的影响。
• 将结果与纳米管拉伸试验的实验数据直接对比，重点关注断裂应力和应变范围。
• 分析包括失效模式评估，确认模拟与实验中均存在脆性断裂行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 原子尺度缺陷（2–8 个原子）在多大程度上降低碳纳米管的断裂应力和应变？
• RQ2 分子力学模拟在多大程度上再现了纳米管的实验断裂行为？
• RQ3 为何实验中观测到的断裂应变高于模拟预测值？
• RQ4 缺陷在多大程度上解释了理论预测与实验测量之间碳纳米管强度的差距？

主要发现

• 分子力学模拟得到的断裂应力范围（36–64 GPa）与实验断裂应力的上界（11–63 GPa）高度吻合。
• 模拟的断裂应变（4–8%）低于实验值（2–13%），表明实验中存在滑移，导致模拟中应变被低估。
• 模拟与实验均显示脆性断裂行为，表明断裂前无塑性变形。
• 2–8 个原子的缺陷显著降低纳米管强度，解释了理论预测值偏高而实验结果偏低的部分原因。