軸壓和扭轉(zhuǎn)復(fù)合載荷作用下氮化硼納米管屈曲行為的分子動(dòng)力學(xué)模擬?

曾強(qiáng) 張晨利

(上海交通大學(xué)工程力學(xué)系,上海 200240)

(2018年4月10日收到;2018年9月10日收到修改稿)

采用分子動(dòng)力學(xué)方法模擬了氮化硼納米管在軸壓和扭轉(zhuǎn)復(fù)合荷載作用下的屈曲和后屈曲行為.在各加載比例下,給出了初始線性變形階段和后屈曲階段原子間相互作用力的變化,確定了屈曲臨界荷載關(guān)系.通過對(duì)屈曲模態(tài)的細(xì)致研究,從微觀變形機(jī)理上分析了納米管對(duì)不同外荷載力學(xué)響應(yīng)的差異.研究結(jié)果表明,扶手型和鋸齒型納米管均呈現(xiàn)出非線性的屈曲臨界荷載關(guān)系,復(fù)合加載下的屈曲行為具有強(qiáng)烈的尺寸依賴性.溫度升高將導(dǎo)致屈曲臨界荷載的下降,且溫度的影響隨加載比例的變化而變化.無論在簡單加載或復(fù)合加載中,同尺寸的碳納米管均比氮化硼納米管具有更強(qiáng)地抵抗屈曲荷載的能力.

1 引 言

將碳納米管中的碳(C)原子交替替換成氮(N)和硼(B)原子,即可得到氮化硼納米管(boron nitride nanotubes,BNNTs)[1].1994年,Rubio等[1]通過理論計(jì)算預(yù)測BNNTs可以穩(wěn)定存在.1995年,Chopra等[2]通過等離子電弧放電法成功制備出了單壁BNNTs.由于同碳納米管(carbon nanotubes,CNTs)具有極為相似的結(jié)構(gòu)特征,BNNTs同樣表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)、物理和化學(xué)等特性[3?5],因而引起眾多科研工作者的關(guān)注.

關(guān)于納米管在不同荷載作用下的力學(xué)變形特性和非典型屈曲行為一直是納米力學(xué)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一[6?15].Liao等[6]借助分子動(dòng)力學(xué)方法(molecular dynamics,MD)模擬給出扶手型BNNTs的拉伸斷裂應(yīng)變約為26.7%.Wang等[7]通過研究發(fā)現(xiàn),在BNNTs中填充銅原子,可以有效提高其抵抗壓縮屈曲的能力.納米結(jié)構(gòu)物的幾何尺寸常對(duì)其力學(xué)行為有顯著影響,這是其區(qū)別于宏觀結(jié)構(gòu)物的一個(gè)重要特征.通過對(duì)扭轉(zhuǎn)變形的模擬研究,Ajori和Ansari[10]指出,單壁BNNTs的臨界扭矩隨管長的增大而減小,隨管徑的增大而增大.Xiong和Tian[11]也發(fā)現(xiàn)了類似規(guī)律.另一方面,溫度升高引起的原子熱振動(dòng)也會(huì)對(duì)納米結(jié)構(gòu)物的力學(xué)行為產(chǎn)生重要影響.近期的研究表明,溫度升高將導(dǎo)致BNNTs在軸壓變形中的臨界荷載下降13%左右[12,13].

總體來說,目前關(guān)于BNNTs力學(xué)變形行為的研究主要圍繞簡單加載的情況展開.實(shí)際上,BNNTs無論在制備過程中,還是在具體應(yīng)用階段,都不可避免地處于各種簡單荷載同時(shí)作用的復(fù)合受力狀態(tài),并可能經(jīng)歷溫度的變化[16].因此研究復(fù)合荷載作用下BNNTs的力學(xué)行為,對(duì)于進(jìn)一步理解其微觀變形機(jī)理有重要意義.本文采用非平衡態(tài)的MD研究BNNTs在軸壓和扭轉(zhuǎn)復(fù)合荷載作用下的變形屈曲行為,考慮溫度變化對(duì)屈曲行為的影響,獲取臨界關(guān)系曲線,并與相應(yīng)CNTs的結(jié)果進(jìn)行比較,力圖為深入理解納米微管在復(fù)合荷載作用下的形變機(jī)理提供有價(jià)值的理論參考依據(jù).

2 模擬方法

本文借助通用的MD模擬軟件Lammps[17]實(shí)現(xiàn)對(duì)BNNTs原子層次的模擬.原子間相互作用勢函數(shù)的選擇是MD模擬的關(guān)鍵所在.基于量子力學(xué)鍵級(jí)觀念發(fā)展起來的Tersof f多體勢[18?20]可以考慮B—N共價(jià)鍵的sp2雜化作用,能正確模擬共價(jià)鍵的形成與破壞,已經(jīng)成功應(yīng)用于BNNTs變形行為的模擬計(jì)算[9?11,14,15,21,22].Tersof f多體勢是原子間距離、鍵角等的函數(shù),在極低溫度的模擬計(jì)算中也能正確反映BNNTs原子間的相互作用.文獻(xiàn)[9,11]用該勢分別在0.01和1 K的低溫下進(jìn)行了MD模擬計(jì)算.

MD模擬中需要對(duì)系統(tǒng)溫度進(jìn)行合理的控制.本文分別在50,300,700和1200 K四種不同溫度下進(jìn)行BNNTs復(fù)合加載行為的模擬計(jì)算,以探索溫度對(duì)屈曲行為的影響,因此選取合適的溫控機(jī)理直接關(guān)乎模擬結(jié)果的正確性.目前Nose-Hoover溫控機(jī)理在BNNTs的MD模擬中得到了廣泛應(yīng)用[9?11,15].該機(jī)理可以把任何數(shù)量的原子與一個(gè)熱浴耦合起來,消除局域的相關(guān)運(yùn)動(dòng),形成一個(gè)負(fù)反饋機(jī)理,已被證明可以產(chǎn)生真實(shí)的正則系綜[23].本文采用Nose-Hoover溫控機(jī)理控制模擬系統(tǒng)的溫度達(dá)到目標(biāo)溫度.

為了探索幾何尺寸對(duì)力學(xué)行為的影響,選取了三組納米微管進(jìn)行研究.首先選用一對(duì)具有相近幾何尺寸而螺旋性不同的微管,扶手型(8,8)-BNNT和鋸齒型(14,0)-BNNT,長度約為6.00 nm,半徑約為0.56 nm.第二組為具有不同半徑的扶手型(6,6),(8,8)和(10,10)-BNNT,長度均為6.00 nm.第三組是長度分別為4.00,6.00和8.01 nm的(8,8)納米管.每個(gè)納米管兩端都被剛化,中部為可以自由運(yùn)動(dòng)的調(diào)溫原子.一端的剛化端被固定,另一端在適當(dāng)?shù)募s束下施加按特定比例增加的軸壓和扭轉(zhuǎn)位移,如圖1所示.加載開始前首先對(duì)納米管進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化并在確定的溫度下自由弛豫,以達(dá)到穩(wěn)定的平衡態(tài).然后采用準(zhǔn)靜態(tài)的加載方式,每次施加微小的復(fù)合位移增量,使納米管充分弛豫達(dá)到變形后的穩(wěn)定態(tài),通過記錄MD模擬的結(jié)果,獲取原子間相互作用力、應(yīng)變能以及形變量等數(shù)值.

圖1 (8,8)-BNNT MD模擬計(jì)算模型Fig.1.Snapshot of the MD simulation system for(8,8)-BNNT.

3 結(jié)果與分析

在復(fù)合加載情況下,BNNTs同時(shí)發(fā)生軸向壓縮和扭轉(zhuǎn)變形,因此處于軸向正應(yīng)力和剪應(yīng)力同時(shí)存在的復(fù)合應(yīng)力狀態(tài).定義復(fù)合荷載的加載比例為

其中σ和τ分別代表正應(yīng)力和剪應(yīng)力.根據(jù)彈性理論,無量綱量μ與軸向內(nèi)力F和扭矩M的關(guān)系為

(2)式中R為氮化硼納米管的半徑.改變加載比例,對(duì)MD模擬結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)整理,根據(jù)B—N鍵合力計(jì)算得出軸向內(nèi)力F與扭矩M,根據(jù)納米管變形情況計(jì)算出軸向應(yīng)變?chǔ)藕娃D(zhuǎn)角φ.進(jìn)而可以獲得軸向內(nèi)力F與軸向應(yīng)變?chǔ)诺年P(guān)系,以及扭矩M與單位長度扭轉(zhuǎn)角φ的關(guān)系.圖2給出了室溫300 K下,扶手型(8,8)-BNNT在軸壓和扭轉(zhuǎn)復(fù)合荷載作用下的屈曲和后屈曲行為,包括4種不同的加載比例μ值,分別為5.59,2.48,0.98和0.48.為進(jìn)行比較,純軸壓和純扭轉(zhuǎn)情況下的力學(xué)響應(yīng)也同時(shí)給出.可以看出,無論在簡單加載或復(fù)合加載中,納米管在初始變形階段都表現(xiàn)出線性力學(xué)行為,內(nèi)力隨著變形量的增加而線性增大.到達(dá)臨界點(diǎn)時(shí),納米管的內(nèi)力達(dá)到最大值.觀察純軸壓對(duì)應(yīng)的曲線A,軸向內(nèi)力F在臨界點(diǎn)之后出現(xiàn)了突然的下降,之后基本穩(wěn)定在某一低值附近,隨應(yīng)變的增大沒有出現(xiàn)很明顯的變化.對(duì)于μ值較大的1和2曲線,屈曲和后屈曲行為與純軸壓情況類似.軸向內(nèi)力在達(dá)到最大值(臨界點(diǎn))之后都有明顯的下降,之后隨應(yīng)變的增大沒有大幅度的增減.曲線2對(duì)應(yīng)的扭轉(zhuǎn)荷載相對(duì)較大,引起了內(nèi)力F略有減小.軸向內(nèi)力在臨界點(diǎn)之后的突降是由于納米管發(fā)生結(jié)構(gòu)失穩(wěn),呈現(xiàn)管壁內(nèi)陷的屈曲模態(tài),引起B(yǎng)—N鍵合力突然減小造成的.對(duì)于扭轉(zhuǎn)荷載占較大比例的曲線3和4,扭矩在臨界點(diǎn)之后先是逐漸減小,然后由于扭轉(zhuǎn)屈曲變形加劇再緩慢增大,與純扭轉(zhuǎn)的情況有一定相似性,而軸力并沒有出現(xiàn)非常明顯的突降.

圖2 (8,8)-BNNT在軸壓和扭轉(zhuǎn)復(fù)合荷載作用下的屈曲和后屈曲行為(T=300 K) (a)軸力-應(yīng)變曲線;(b)扭矩-扭轉(zhuǎn)角曲線 (曲線A和B分別代表純軸壓和純扭轉(zhuǎn)加載情況;曲線1—4代表復(fù)合加載情況,1,μ=5.59;2,μ=2.48;3,μ=0.98;4,μ=0.48)Fig.2.Buckling and postbuckling behavior of(8,8)-BNNT under combined axial compression and torsion(T=300 K):(a)Axial force-strain curves;(b)torquetwist angle curves(the notations A and B stand for mechanical loads of pure axial compression and pure torsion,respectively. Curves 1 to 4 correspond to combined loading cases,1,μ=5.59;2,μ =2.48;3,μ=0.98;4,μ=0.48).

圖3給出了復(fù)合荷載作用下,(8,8)-BNNT的平均應(yīng)變能隨應(yīng)變的變化曲線,臨界點(diǎn)處以小圓點(diǎn)標(biāo)出.首先,在結(jié)構(gòu)失穩(wěn)之前,應(yīng)變能與應(yīng)變之間基本符合二次關(guān)系,這與初始階段的線性變形行為相對(duì)應(yīng).到達(dá)臨界點(diǎn)時(shí),加載比例分別為5.59和2.48的曲線1與2出現(xiàn)了應(yīng)變能的突降,而曲線3和4的應(yīng)變能基本無變化.說明對(duì)于加載比例較大的曲線1與2情況,納米管由于結(jié)構(gòu)屈曲而釋放了部分應(yīng)變能,致使應(yīng)變能突然有所減小.而對(duì)于扭轉(zhuǎn)荷載占較大比例的曲線3和4,結(jié)構(gòu)的屈曲模態(tài)與純扭轉(zhuǎn)情況有一定相似性,沒有引起應(yīng)變能的突降.臨界點(diǎn)之后,四種加載比例下的應(yīng)變能基本都隨應(yīng)變線性增加.

圖3 (8,8)-BNNT在軸壓和扭轉(zhuǎn)復(fù)合荷載作用下應(yīng)變能隨應(yīng)變的變化(T=300 K;曲線1,μ=5.59;曲線2,μ=2.48;曲線3,μ=0.98;曲線4,μ=0.48;臨界點(diǎn)用小原點(diǎn)標(biāo)出)Fig.3.Variation of strain energy as a function of axial strain for(8,8)-BNNT under combined axial compression and torsion(T=300 K;curve 1,μ=5.59;curve 2,μ =2.48;curve 3,μ =0.98;curve 4,μ =0.48;the critical points are marked by solids dot).

借助MD模擬,可以觀察不同荷載作用下屈曲的產(chǎn)生細(xì)節(jié)和發(fā)展過程,對(duì)于理解BNNTs復(fù)雜的微觀變形機(jī)理有重要意義.在軸壓屈曲中,管壁處于軸向壓應(yīng)力狀態(tài),當(dāng)壓應(yīng)力增大到一定數(shù)值,管壁會(huì)發(fā)生突然的局部內(nèi)陷而誘發(fā)屈曲,納米管呈現(xiàn)出扁平屈曲面.在扭轉(zhuǎn)變形中,管壁中拉應(yīng)力區(qū)域和壓應(yīng)力區(qū)域各呈螺旋分布,即同一橫截面既有受拉區(qū),又有受壓區(qū).失穩(wěn)發(fā)生時(shí),受壓區(qū)原子向內(nèi)側(cè)移動(dòng),而受拉區(qū)原子向外凸出,橫截面由圓形變成橢圓形,扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)是逐漸發(fā)生的,并沒有突然的局部管壁內(nèi)陷.在軸壓和扭轉(zhuǎn)復(fù)合荷載作用下,管壁中應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜,既有拉應(yīng)力,也有壓應(yīng)力.隨加載比例不同,拉、壓應(yīng)力占的比例也不同.當(dāng)外荷載增大到一定數(shù)值,結(jié)構(gòu)失穩(wěn)由壓應(yīng)力區(qū)管壁的內(nèi)陷而誘發(fā),同時(shí)拉應(yīng)力區(qū)原子向外凸出,結(jié)構(gòu)出現(xiàn)屈曲面,由于扭轉(zhuǎn)荷載作用,屈曲面略呈扭曲.隨著變形加深,結(jié)構(gòu)將呈現(xiàn)出典型的屈曲模態(tài).

圖4(8,8)-BNNT的屈曲模態(tài)(T=300 K)(a)純軸壓狀態(tài),ε=0.086;(b)復(fù)合加載狀態(tài),μ=2.48,ε=0.070,φ =10.84(?)/nm;(c)純扭轉(zhuǎn)狀態(tài),? =11.70(?)/nmFig.4.Buckling modes of(8,8)-BNNT(T=300 K):(a)Pure axial compression,ε=0.086;(b)combined axial compression and torsion,μ=2.48,ε=0.070,φ =10.84(?)/nm;(c)pure torsion,φ =11.70(?)/nm.

圖4 給出了扶手型(8,8)-BNNT在三種不同加載情況下的典型屈曲模態(tài).圖4(a)和圖4(c)分別對(duì)應(yīng)純軸壓和純扭轉(zhuǎn)情況,圖4(b)對(duì)應(yīng)μ值為2.48的復(fù)合加載情況.觀察圖4(b),屈曲模態(tài)兼具圖4(a)和圖4(c)的特征.一方面,BNNT由于管壁內(nèi)陷形成兩個(gè)屈曲面,與圖4(a)中的兩個(gè)扁平的屈曲面類似;另一方面,圖4(b)中的兩個(gè)屈曲面并不像圖4(a)那樣相互垂直,而是沿軸向扭轉(zhuǎn)成斜交,這又與圖4(c)中的屈曲模態(tài)有一定類似性.圖4(c)中,納米管管壁變形為扭曲的屈曲面.軸壓屈曲或類似軸壓屈曲中的管壁內(nèi)陷會(huì)引起B(yǎng)NNTs應(yīng)變能突然釋放,同時(shí)B—N鍵合力也隨之減小,引起軸向內(nèi)力突降[9].純扭轉(zhuǎn)屈曲中基本沒有突發(fā)的管壁內(nèi)陷,應(yīng)變能和B—N鍵合力也不會(huì)發(fā)生急劇地變化.BNNTs在不同的荷載作用下,會(huì)表現(xiàn)出不同的變形過程和屈曲模態(tài),這是引起原子間相互作用力及應(yīng)變能變化趨勢不同的主要原因.

圖5反映了溫度變化對(duì)復(fù)合加載下鋸齒形(14,0)-BNNT屈曲和后屈曲行為的影響,對(duì)應(yīng)加載比例值為2.48,模擬溫度分別為50,300,700和1200 K.很明顯,屈曲臨界荷載隨著溫度的升高而降低,Ali等[12]也通過MD模擬計(jì)算得出了類似的結(jié)論.這主要是由于高溫下原子劇烈地?zé)嵴駝?dòng)致使管壁上出現(xiàn)許多小的點(diǎn)缺陷,顯著降低了納米管抵抗屈曲的能力.當(dāng)溫度從300 K升高到1200 K時(shí),鋸齒形(14,0)-BNNT的臨界軸力下降了19%,臨界扭矩下降量為13%.通過計(jì)算兩種簡單加載情況,得到純軸壓下屈曲荷載的相應(yīng)減小量為29%,純扭轉(zhuǎn)下的相應(yīng)減小量僅為5%.因此模擬結(jié)果表明,溫度變化對(duì)BNNTs臨界軸力影響較大,而對(duì)臨界扭矩影響較小.高溫下原子劇烈地?zé)嵴駝?dòng)會(huì)造成原子間距和鍵角發(fā)生變化,引起原子間相互作用勢增大,原子間相互作用力也隨之增大,形成局部應(yīng)力集中.這種應(yīng)力集中易誘發(fā)局部管壁凹陷,而軸壓失穩(wěn)始于局部管壁凹陷,所以高溫下軸向屈曲荷載值下降明顯.對(duì)于扭轉(zhuǎn)變形,屈曲發(fā)生不是由管壁凹陷誘發(fā),但局部應(yīng)力集中也會(huì)促使屈曲面的形成,所以溫度對(duì)扭轉(zhuǎn)屈曲的影響不如對(duì)軸壓屈曲影響大.

圖5 軸壓和扭轉(zhuǎn)復(fù)合荷載作用下溫度對(duì)(14,0)-BNNT屈曲和后屈曲行為的影響(μ=2.48) (a)軸力-應(yīng)變曲線;(b)扭矩-扭轉(zhuǎn)角曲線Fig.5.Effect of temperature change on buckling and postbuckling behavior of(14,0)-BNNT under combined axial compression and torsion(μ=2.48):(a)Axial force-strain curves;(b)torque-twist angle curves.

分析結(jié)構(gòu)在組合荷載作用下的屈曲行為時(shí),一個(gè)重要的問題是確定屈曲臨界荷載關(guān)系.為了探索這一問題,定義兩個(gè)無量綱參數(shù),

其中和分別為300 K下BNNTs分別在純軸壓和純扭轉(zhuǎn)下的臨界正應(yīng)力和剪應(yīng)力,σcr和τcr為納米管在復(fù)合荷載作用下的臨界屈曲應(yīng)力.注意到應(yīng)力的計(jì)算要用到納米管等效壁厚值,而(3)式中兩個(gè)參數(shù)是應(yīng)力的比值,所以與壁厚值無關(guān).(8,8)和(14,0)-BNNTs在50,300,700和1200 K四種不同溫度下的臨界荷載關(guān)系曲線如圖6所示.對(duì)于本文給出的各臨界荷載關(guān)系曲線,僅圖6(b)中和采用的是(14,0)-BNNT在300 K下的臨界荷載值,其余曲線均采用(8,8)-BNNT在300 K下的臨界荷載值.觀察圖6,對(duì)于兩種螺旋性的納米管,溫度效應(yīng)都隨加載比例的增大而增大.即軸壓荷載相對(duì)越大,溫度對(duì)屈曲行為的影響越顯著.對(duì)比兩種螺旋性的BNNTs,扶手型納米管的關(guān)系曲線在加載比例較大時(shí)表現(xiàn)為非線性,當(dāng)RS>0.6時(shí),曲線近似呈現(xiàn)線性關(guān)系.鋸齒型(14,0)-BNNT的曲線僅在RS>0.85時(shí)呈現(xiàn)線性關(guān)系,其余均為非線性.說明納米管的螺旋性對(duì)臨界荷載關(guān)系曲線的形狀略有影響.

圖7(a)給出了三個(gè)不同半徑扶手型(6,6),(8,8)和(10,10)-BNNT的臨界荷載關(guān)系曲線,納米管長度均為6.00 nm;圖7(b)比較了不同長度(8,8)-BNNT的臨界荷載關(guān)系.可以看出,在復(fù)合加載的情況下,BNNTs的力學(xué)行為也表現(xiàn)出強(qiáng)烈的尺寸效應(yīng).在長度相同的情況下,臨界正應(yīng)力和剪應(yīng)力都隨半徑的增大而減小.對(duì)同一種納米管,兩種臨界應(yīng)力都隨長度的增大而減小,且扭轉(zhuǎn)荷載相對(duì)越大,長度的影響越顯著.這與已有文獻(xiàn)報(bào)道中給出的變化規(guī)律一致[10?12].尺寸效應(yīng)是納米結(jié)構(gòu)物區(qū)別與宏觀物體的重要特性之一,借助MD的大量模擬結(jié)果,可以獲取BNNTs的力學(xué)行為隨其尺寸變化的一般規(guī)律.

圖6 軸壓和扭轉(zhuǎn)復(fù)合荷載作用下溫度對(duì)BNNTs屈曲臨界荷載關(guān)系的影響 (a)(8,8)-BNNT;(b)(14,0)-BNNTFig.6.Effect of temperature change on the interactive buckling loads curves of BNNTs under combined axial compression and torsion:(a)(8,8)-BNNT;(b)(14,0)-BNNT.

圖7 軸壓和扭轉(zhuǎn)復(fù)合荷載作用下尺寸對(duì)BNNTs屈曲臨界荷載關(guān)系的影響(T=300 K) (a)納米管半徑的影響;(b)納米管長度的影響Fig.7.Effect of nanotube size on the interactive buckling loads curves of BNNTs under combined axial compression and torsion(T=300 K):(a)Effect of nanotube radius;(b)effect of nanotube lengths.

眾所周知,BNNTs和CNTs具有非常相似的原子連接結(jié)構(gòu),將CNTs中的碳(C)原子交替替換成氮(N)和硼(B)原子,即可得到BNNTs.目前已經(jīng)開展了關(guān)于CNTs和BNNTs雜化或嵌套結(jié)構(gòu)的研究[15,22,24,25].雜化或嵌套結(jié)構(gòu)可以使兩種管優(yōu)勢互補(bǔ),發(fā)揮各自的長處.因此有必要對(duì)兩種管的力學(xué)性能進(jìn)行充分對(duì)比分析[21],以指導(dǎo)雜化或嵌套結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì),得到性能更加出色的納米微管.

圖8 軸壓和扭轉(zhuǎn)復(fù)合荷載作用下BNNTs和CNTs屈曲臨界荷載關(guān)系曲線的比較(T=300 K)Fig.8.Comparisons of the interactive buckling loads curves between BNNTs and CNTs under combined axial compression and torsion(T=300 K).

圖8 比較了室溫300 K時(shí),在軸壓和扭轉(zhuǎn)復(fù)合荷載作用下,同尺寸、同螺旋性的單壁BNNTs和CNTs的臨界荷載關(guān)系曲線.可以看出,無論在軸壓、扭轉(zhuǎn)還是復(fù)合加載條件下,CNTs均比BNNTs具有更強(qiáng)地抵抗屈曲荷載的能力,這種差異可能是由于兩種管中原子不同的鍵合方式引起的.BNNTs中的B—N鍵具有離子鍵的特性,而碳納米管中的C—C鍵為共價(jià)鍵,C—C鍵較B—N鍵表現(xiàn)出更強(qiáng)的鍵合力.另一方面,兩條曲線特征具有一定形似性,反映出兩種納米管在不同荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)相似,它們抵抗屈曲能力的差異不隨加載比例的變化而變化,因此兩種管的雜化或嵌套結(jié)構(gòu)可以協(xié)同工作,發(fā)揮更加優(yōu)異的力學(xué)性能.Xiong和Tian[11]借助MD方法,得出同尺寸CNTs的臨界扭矩高于BNNTs.Wei等[9]也發(fā)現(xiàn),低溫下同螺旋性的CNTs比BNNTs具有更高的臨界軸向屈曲應(yīng)力,與本文的研究結(jié)論一致.

此外,BNNTs具有良好的熱穩(wěn)定性.實(shí)驗(yàn)表明,BNNTs可以耐受1200—1400 K的高溫,而CNTs在400?C即發(fā)生氧化,在700?C左右即可能燃燒[26].因此當(dāng)環(huán)境溫度較高時(shí),兩種管的雜化或嵌套結(jié)構(gòu)可以充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢,取長補(bǔ)短,形成性能更加優(yōu)異的納米微管結(jié)構(gòu),從而具有更加廣泛的應(yīng)用前景,這也是目前納米力學(xué)中方興未艾的研究課題之一.

4 結(jié) 論

本文研究了軸壓和扭轉(zhuǎn)荷載共同作用時(shí),幾何尺寸和環(huán)境溫度對(duì)BNNTs變形和屈曲行為的影響.借助MD獲取了納米管原子間相互作用力及應(yīng)變能隨形變的變化規(guī)律、典型的屈曲模態(tài)以及屈曲臨界荷載關(guān)系.并將BNNTs和CNTs的模擬結(jié)果加以比較,以探索兩種納米管力學(xué)行為的差異.分析研究表明,加載形式不同,BNNTs表現(xiàn)出不同的變形屈曲模態(tài),從而引起原子間相互作用力的變化趨勢也不相同.溫度升高將導(dǎo)致屈曲荷載和后屈曲平衡路徑的下降,且加載比例越大,溫度效應(yīng)越明顯.復(fù)合加載情況下的臨界應(yīng)力隨長度和半徑的增大而減小.兩種螺旋性的BNNTs均基本呈現(xiàn)出非線性的屈曲臨界荷載關(guān)系.無論在軸壓、扭轉(zhuǎn)還是復(fù)合加載條件下,同尺寸的CNTs均比BNNTs具有更強(qiáng)地抵抗屈曲荷載的能力.可以預(yù)測,BNNTs與CNTs的雜化或嵌套結(jié)構(gòu)將擁有更加優(yōu)異的力學(xué)性能,應(yīng)用前景更加廣泛.