石墨炔纳米结构的能量耗散机制的研究

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石墨炔是碳基纳米结构家族中的新成员,其因具有优良的力学、电学和光学性能而被认为是制造纳米级机械谐振器的合适材料。对于纳米级机械谐振器来说,品质因子Q是衡量谐振器性能的重要标准。高的Q因子意味着更低的能耗、更高的灵敏度和更好的可靠性。对Q因子造成影响的阻尼因素可以根据来源分为两大类:外部阻尼和内部阻尼。外部阻尼包括流体阻尼、钳位阻尼和表面耗散等,通过精心的设计纳米结构的几何形状和工作环境,可以大大消除外部阻尼对Q因子的影响;内部阻尼主要包括热弹性阻尼和Akhiezer阻尼,通过设计使共振结构内的应力梯度最小化,可减少结构中的热弹性阻尼对Q因子的影响,但Akhiezer阻尼作为更本质的阻尼因素而给谐振器的Q因子设置了一个基本的上限,因此研究石墨炔纳米结构的Akhiezer阻尼机制,对石墨炔纳米结构的本证耗散并提高纳米机械谐振器的Q因子具有很好的意义。本文的主要研究内容如下:首先介绍了石墨炔纳米结构的特点,继而详细说明了Akhiezer阻尼的产生机理,并对Akhiezer阻尼的计算理论做了归纳整理,通过公式推导给出了Akhiezer阻尼Q因子的表达式。然后基于Akhiezer阻尼的计算理论,使用非平衡态分子动力学方法对石墨炔纳米结构的Akhiezer阻尼模拟。通过对石墨炔纳米结构进行简单拉伸计算,确定了石墨炔纳米结构的拉伸刚度和结构参考拉力的数值,并验证了芳基间存在乙炔键会导致结构软化的事实。通过对石墨炔纳米结构在确定的受迫频率下进行周期性拉伸,计算不同受迫频率下石墨炔纳米结构的Q因子数值发现,在模型不变的情况下,随着受迫频率的增加,Q因子的数值呈减小趋势。对于这一现象,我们引入了理论公式进行说明。继而我们对芳基间具有不同乙炔键个数的石墨炔纳米结构模型在相同的受迫频率下进行了Q因子计算,结果表明,随着Q因子随着芳基间乙炔键的个数的增加而减小,我们从芳基间的乙炔键造成了结构的软化的角度对其做出了解释。最后介绍了石墨炔纳米结构Akhiezer阻尼的连续介质力学模型。先对石墨炔纳米结构Akhiezer阻尼的理论模型进行推导,给出其对应的连续介质力学表达式。结合理论推导的结果,给出了使用分子动力学方法计算Grüneisen参数和声子弛豫时间等描述Akhiezer阻尼的必要参数的具体步骤。对石墨炔纳米结构内平面施加不同的应变并在应变后固定拉伸两端进行弛豫,通过计算不同内平面应变下外平面振动模态的频率给出了Grüneisen参数和声子弛豫时间等描述Akhiezer阻尼的必要参数,将求得的参数带入其连续介质力学表达式可与分子动力学的模拟结果做出比较。
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