奈米碳管强度及劲度之估测Estimation of Strength and - 成大航太系.PDF

國 立 成 功 大 學 航 空 太 空 工 程 研 究所 碩 士 論 文 奈米碳管強度及勁度之估測 Estimation of Strength and Stiffness of Carbon Nanotubes 研 究 生:侯彥嘉 指導教授 :胡潛濱 中 華民 國 一 零 三 年 六月 摘要 題 目 : 奈米碳管強 度及 勁度 之估測 研 究 生: 侯 彥嘉 指 導教授 : 胡 潛濱 奈米碳管 為目前新興的 補強 材料 ，它具有優 秀的 機械性質 ，如高強 度 、高 韌 性 、重量輕 等特性 ；本文主要 結合 有限 元素法及 分子動 力學去估測 其機械性 質 ，參考相關 文獻 提 出的 方法並做修改 。文中使用有限 元素軟體 AN SYS裡 樑 元素來模 擬連結相鄰 兩碳 原 子之 共價鍵 ，導入 modified Morse potential 為 共價 鍵中的 勢能 函數 ，而層間 凡德 瓦力則 模 擬成彈 簧 元素 。藉由 非線 性樑理論 推導 出樑元素之材料性質 ，再由軟體模 擬碳管 並計算整體的 機械性質及估測整體強 度 。從結果得 知 ，不同 形態的單壁 奈米碳 管 其楊 氏係數 約為 1-1.2 TPa 左右 、 浦 松比約為 0.17-0.25 左右 ，而降 伏強 度則 落在 20-30 GPa範圍內 。參考 其他 文 獻的數 值 比較 ，本文結果 有 一定程度的吻 合 ；顯 示研 究 方法有相當程度的 正確 性與可靠 性 。在極限強 度 方面 ，因 未考慮 Stone-Wales defect 等結構變化 ，故 數 值結果皆 小於相關 文獻 。 本文也 以有限 元素法的觀點 在 機械性質 方面做討論 ，將模 擬共價鍵之樑元 素做 切割 並增 加 元素量 來做 收斂 性分析 ，文中也討論 奈米碳管的 長徑 比對機械 性質的影響 ，比較 兩者的 差異 性 ，其結果確 定已 收斂 (0.5%) 。 關 鍵 字 ：奈米碳管 、楊 氏係數 、浦 松比 、屈服強 度 。 Estimation of Strength and Stiffness of Carbon Nanotubes Author : Yan-Jia Hou Advisors: Chyanbin Hwu Department of Aeronautics and Astronautics, NCKU Since its discovery, the superior properties of carbon nanotubes (CNTs),such as high strength, toughness and light weight, makes it become a popular reinforcing material. Our purpose is to estimate its nonlinear mechanical properties by combining Finite Element Method and Molecular Dynamics. According to many researches, the covalent bonds between two nearest-neighboring atoms are simulated as beam elements. The beam properties of the finite element model are obtained from in the modified Morse interatomic potential, a