张 续， 齐乐华， 舒 扬， 付前刚， 李贺军

(1.西北工业大学 机电学院,陕西 西安710072；2.西北工业大学 材料学院,陕西 西安710072)

含空位缺陷单壁碳纳米管断裂行为的有限元模拟

张 续1， 齐乐华1， 舒 扬1， 付前刚2， 李贺军2

(1.西北工业大学 机电学院,陕西 西安710072；2.西北工业大学 材料学院,陕西 西安710072)

提出了碳碳键的断裂准则，建立了含空位缺陷碳纳米管的有限元模型，基于此断裂准则采用有限元方法对单壁碳纳米管的断裂行为进行了模拟研究，计算得到了碳纳米管的抗拉强度和极限应变，并研究了单原子空位缺陷对碳纳米管抗拉强度和极限应变的影响。结果表明理想单壁碳纳米管的抗拉强度约为100 GPa，极限应变约为20%。单原子空位缺陷显著降低了碳纳米管的抗拉强度和极限应变，使抗拉强度降低了20%～30%，极限应变降低了12%～18%，这也正是碳纳米管极限强度的实验结果远低于理论预测结果的原因。

单壁碳纳米管； 空位缺陷； 有限元法； 抗拉强度； 极限应变

1 前言

碳纳米管作为备受研究人员关注的纳米材料，具有优异的力学性能，在诸多领域应用潜力巨大。基于密度泛函理论(DFT)[1-3]、分子动力学方法(MD)[2, 4]以及分子力学方法(MM)[5,6]理论计算表明，碳纳米管的抗拉强度为85～220 GPa，显著高于Yu等[7]的实验结果(11～63 GPa)，这可能是由于实际制备的碳纳米管中存在的缺陷所造成的[5]。

目前，实验手段尚不能观测到碳纳米管的断裂过程，因此采用数值模的方法对碳纳米管断裂行为进行研究是一种有效的手段[8]。采用量子力学方法[3]、分子动力学方法[4]以及分子力学方法[5]对含缺陷碳纳米管研究表明：空位缺陷使得碳纳米管的抗拉强度下降20%～40%，极限应变下降10%～50%。……