受限空間中金屬納米線的熔化.pdf

1、過(guò)去的幾十年間，以碳納米管、納米線為代表的一維納米材料備受關(guān)注。其中，納米線因其具有的獨(dú)特的物理化學(xué)性能，在光電子器件、化學(xué)催化、生物科技、國(guó)防科技、能源儲(chǔ)運(yùn)、復(fù)合材料等領(lǐng)域具有受人矚目的應(yīng)用前景。在推廣納米線的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，維持其結(jié)構(gòu)與物理化學(xué)性能的穩(wěn)定性是首先要解決的問(wèn)題。近年來(lái)，研究者發(fā)現(xiàn)將納米線封裝于受限空間中，不僅能夠增加其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，防止其與外界的氧氣與水蒸氣反應(yīng)，還能夠獲得綜合性能優(yōu)異的碳納米管-納米線復(fù)合材料從而開(kāi)拓新

2、的研究領(lǐng)域。受限空間與納米線原子的相互作用以及受限空間的結(jié)構(gòu)和尺寸對(duì)內(nèi)部納米線的結(jié)構(gòu)與性能具有非常顯著的影響。研究受限空間中納米線的熔化，對(duì)于豐富并完善納米尺度下材料性能的研究、拓展納米線及其復(fù)合材料的應(yīng)用、發(fā)展先進(jìn)的納米材料制備與加工技術(shù)具有非常重要的科學(xué)意義和價(jià)值。
　　本論文選取了兩種典型的金屬納米線——Al納米線與Fe納米線，并采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法對(duì)其在受限空間中的熱穩(wěn)定性和熔化過(guò)程進(jìn)行了深入探討。
　　本論文首次

3、發(fā)現(xiàn)了碳納米管受限空間中Al納米線具有三種熔化行為，分別為:(Ⅰ)熔化過(guò)程中不出現(xiàn)內(nèi)層原子到外層的可視化擴(kuò)散;(Ⅱ)熔化過(guò)程出現(xiàn)納米線的回復(fù)現(xiàn)象;(Ⅲ)熔化后內(nèi)層原子完全擴(kuò)散到外層導(dǎo)致納米線最終具有中空結(jié)構(gòu)。這三種熔化行為由Al納米線的直徑和碳納米管的長(zhǎng)度共同決定。碳納米管與納米線各層原子之間的相互作用強(qiáng)弱差異以及碳納米管中的范德華力勢(shì)阱是引起其內(nèi)部Al納米線出現(xiàn)以上三種異常熔化行為的主要原因。
　　沿不同晶向排布的Fe納米線（[

4、100]、[110]和[111]Fe納米線）的熱穩(wěn)定性明顯不同。[111]Fe納米線由于其具有的表面能最小以及表面的近鄰原子數(shù)最多具有最好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，該模擬結(jié)果從理論角度驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)中自發(fā)生長(zhǎng)的Fe納米線多沿[111]晶向排布。當(dāng)把Fe納米線封裝于虛擬墻受限空間中時(shí)，外界軸向壓力的存在能夠強(qiáng)化受限空間對(duì)于納米線的束縛作用，從而使得納米線的熔點(diǎn)隨著軸向壓力的增加而增加。但是，該軸向壓力存在一個(gè)臨界值，結(jié)果表明為3 GPa，在該壓

5、力值以下，虛擬墻中的Fe納米線才能夠維持自身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。
　　本論文首次比較了兩種相同形狀、相同尺寸的受限空間，即虛擬墻和碳納米管，對(duì)于內(nèi)部Fe納米線熔化行為和熱穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，F(xiàn)e納米線在碳納米管中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最強(qiáng)，碳納米管對(duì)于其束縛作用更大。納米線在這兩種受限空間中的熔化行為也呈現(xiàn)出明顯不同。該結(jié)果形象地說(shuō)明了碳納米管對(duì)于內(nèi)部納米線熔化行為的影響不僅僅局限于尺寸限制，其管壁的碳原子排布以及形成的碳納米管內(nèi)的范德華力勢(shì)阱是