多个不同半径的单壁碳纳米管同轴组合在一起构成多壁碳纳米管，如图1-4，多壁碳纳米管的层间距一般在 0.34nm 左右。

图1-4 不同层数碳纳米管的结构示意图

1.3  碳纳米管的性能

1.3.1  力学性能

碳纳米管具有极其优异的力学性能[12-16]，碳纳米管是目前所发现的比强度最高的材料。抗拉强度是钢的100倍，达到50～200GPa，密度却只有钢的1/6，因而被称“超级纤维”；它的弹性模量可达TPa级，约为钢的5倍，硬度与金刚石相当，拥有良好的柔韧性。碳纳米管可作为增强体用来制备复合材料，使其具有高强度、高弹性、抗疲劳性、各向同性等优异的综合性能。

1.3.2  热学性能

碳纳米管和石墨、金刚石一样，具有良好的传热性能，是良好的导热体。分子动力学模拟结构表明：由于碳纳米管中的声子输运是弹道型的[17,18]，其轴向导热系数高达 [19]，与单层石墨基面的热导率相当，在自然界已知材料中最高，是电子设备中高效的散热材料[20]。

1.3.3  热稳定性

碳纳米管有很好的热稳定性能，能够在很高的温度下稳定存在。谢芳等[21]运用紧束缚分子动力学方法模拟了单壁碳纳米管在真空中高温受热变形直至破裂的过程，其中(9,0)锯齿型碳管在4700K左右开始破裂，(5,5)扶手椅型碳管在5400K左右开始破裂，结果还证明了扶手椅型碳管比锯齿型碳管具有更好的热稳定性。

K.M.Liew等[22]用分子动力学模拟方法对单壁和多壁碳纳米管进行了模拟与仿真，结果表明：单壁碳纳米管的热稳定性比多壁碳纳米管的强；较短的、直径较大的碳纳米管热稳定性更好。

1.4 本论文主要研究内容文献综述

用分子动力学计算模拟方法研究单壁碳纳米管的热稳定性。研究目的主要在于:

1、 考察Tersoff、AIREBO、LCBOP势函数在模拟单壁碳纳米管热稳定性方面的表现；

2、 研究升温方式对模拟单壁碳纳米管热稳定性能的影响；

3、 分析单壁碳纳米管热稳定性与其长度、手性、直径等因素的关系。

2 分子动力学模拟方法

2.1  简介

由于碳纳米管纳米级的尺度，对其各种性能的实验研究需要复杂的测试方法以及昂贵的测试设备，这使得科学家们不得不探索新的研究方法。计算机模拟是近年来发展比较迅速的方法之一，目前在分析材料方面比较常用的模拟方法主要有紧束缚、蒙特卡罗以及分子动力学方法。分子动力学方法在算法上相对简单，在精度上比较适中，因此在医学、生物学和材料化学等众多方面得到更为广泛的应用[23]。

2.2  基本原理

在分子动力学方法中，将体系中的原子抽象成质点，给出质点间相互作用的势函数，通过经典动力学方程求出各个粒子的运动轨迹，其后，可以应用统计理论研究整个体系的热力学和动力学性质。分子动力学中用到的经典动力学方程即是牛顿运动方程，进行分子动力学模拟的关键问题是原子间作用势的确定。在分子动力学模拟中一般采用合适的经验势来代替不同原子间的实际作用势，在此基础上，求解牛顿运动方程组求得系统能量。所以，分子动力学模拟是经验或半经验的，采用不同的原子间作用势，可以衍生出多种不同的分子动力学分支[24]。

3 势函数选取来!自~优尔论-文|网www.youerw.com

原子间相互作用的势函数选取是碳纳米管分子动力学模拟的关键。前人先为硅设计研究了很多经验势函数[25-29]，它们是共价键材料势函数的原型。但是对于碳来说，这些势函数是不能够直接运用的。这是因为碳比硅小，在相邻原子间的自由轨道上有更强的电耦合，这导致了碳中的p键（侧向重叠的两个平行的p轨道）更强，杂化情况更复杂。因为原子i和原子j之间键的结合程度依赖于他们邻近原子的配位情况，所以需要一种考虑最近邻原子的方法。