CN108416119A - 一种基于分子动力学模拟测试碳纳米管力学性能的方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于分子动力学模拟测试碳纳米管力学性能的方法，属于纳米材料技术领域，更具体地说，涉及一种碳纳米管力学性能分子动力学模拟的方法。在分子动力学模拟中使用“弹簧”作为加载工具，实现对碳纳米管加载；并根据牛顿第三定律，通过统计“弹簧”上所受的力，得到碳纳米管所受的载荷。本发明可以高效、准确地得到碳纳米管相关力学性能及参数，从而避免了由实验带来的成本以及规避实验中的诸多不确定因素。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料技术领域，涉及一种基于分子动力学模拟测试碳纳米管力学性能的方法。
技术背景
碳纳米管作为一维纳米材料，具有高强度，高柔韧性等优异的力学性能，其特殊的导电性能、良好的导热性能且重量轻，使其在材料、电子、航天航空等领域得到广泛的应用。因此对碳纳米管相关性能的研究得到了越来越多的重视。
碳纳米管属于纳米尺度材料，在实验方面，对其力学性能的研究易受到加载实验装置、实验环境和检测分析仪器的限制，并且实验消耗大，成本高。如公开号为CN105300794A的发明专利公开了一种通过实验测纳米纤维的杨氏模量的方法和系统，其需要多种仪器设备相互配合，因此成本较高。
分子动力学模拟作为一种“数值试验”的科学研究方法，由于其高效并且有效节约了实验研究成本，因此分子动力学模拟被广泛应用于材料、医药、机械等领域。
关于分子动力学模拟的方法研究碳纳米管力学性能亦得到了不断的发展。但当前的研究仍存在一些问题：首先在微观尺度下基于维里公式计算应力的方法在相关学术界上一直存在争议，如文献The virial stress is not a measure of mechanical stress(Materials Research,2002,731:59-70)对于基于维里公式计算应力的方法提出了质疑。其次，由于早期的势能函数(如Tersoff势能、Brenner势能、COMPASS势能等)描述碳纳米管原子间相互作用精度相对较低，如公开号为CN 104535859A的发明专利公开了一种测试碳纳米管温度特性的方法，其力场选择COMPASS势能描述，这是一种通用型共价分子体系力场，对于碳原子体系精度稍差。此外，对于分子动力学模拟来说，系综、模拟参数、加载方式、统计方式等的选择很大程度上影响着模拟的准确性，因此正确地使用系综，采用有效加载和统计方式能够提高模拟的准确性。最后，还有一些关于分子动力学模拟的方法采用粗粒化模型，如公开号为CN 106934137A的发明专利公开了一种对石墨烯粗粒化的分子动力学模拟，由于采用粗粒化模型计算，其计算精度很难保证。
发明内容
针对以上的问题和研究现状，本发明提供一种基于分子动力学模拟测试碳纳米管力学性能的方法，具体为采用一种适用于分子动力学模拟中的新型加载和统计模型受力的方式，避免了基于维里公式计算应力方法存在的争议性，并通过恰当选择原子间作用势能，设定合理的模拟参数和方法步骤，可以准确仿真计算碳纳米管(包括不同手性的碳纳米管、多壁碳纳米管、缺陷碳纳米管等)的力学性能参数，如应力应变关系、弹性模量及泊松比等。
为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于分子动力学模拟测试碳纳米管力学性能的方法，包括以下步骤：
本发明通过Lammps中“Spring”(“弹簧”)命令对碳纳米管进行加载，并作为一种力的传感器，用于统计碳纳米管的受力。更具体地说，即在分子动力学模拟中使用“弹簧”作为加载工具，实现对碳纳米管加载；并根据牛顿第三定律，统计“弹簧”上的力即为碳纳米管所受的力，进而方便有效地得到碳纳米管所受的载荷。其中，本发明采用Airebo多体势能描述碳纳米管原子之间相互作用，它是对Tersoff作用势的改进，使其更适用于碳原子系统，因此数值模拟碳纳米管力学性能更加准确。
所述的分子动力学模拟包含以下步骤：
(1)由Materials Studio软件构建碳纳米管模型，通过Lammps工具包中msi2lmp程序将建立好的碳纳米管模型的坐标文件转换为Lammps可识别的数据文件。使用Lammps编写程序实现对碳纳米管力学相关性能的分子动力学模拟计算。所述的模型包括不同手性的碳纳米管、多壁碳纳米管以及缺陷碳纳米管。
(2)设定模拟初始参数，使用三维模拟模式，计量单位选择metal格式，设定碳原子质量，设置模拟空间三个方向边界均为非周期边界。
(3)定义原子间相互作用力，采用Airebo势能精确的描述C原子系统之间相互作用，即Pair_style类型设定为Airebo，在Lammps程序中将碳纳米管底端固定，顶端使用“弹簧”进行加载，具体为使用spring命令。设置0.25飞秒为模拟的时间步长，这是因为模拟中采用的是Verlet算法，时间步长的减小可以增加模拟的精确性。
(4)为方便施加边界条件和数据统计，将碳纳米管模型整体分为3组，分别为上部分组，中部分组和下部分组。上部分组包括顶端分组、近顶端分组，下部分组包括近底端分组、底端分组。
(5)对整体模型施加随机初速度，通过能量最小化的方式对模型初始构型进行优化。
(6)优化结构后，重置时间步。使用recenter命令保证下部分组的初始位置仅在局部进行结构的调整，而不离开其位置。
(7)对模型整体采用NVT系综进行驰豫，驰豫中的控温方法采用Nose-Hoover方法，将温度控制在0.01K左右，保证模拟不受温度影响。
(8)将下部分组三个方向的速度和力置为零，约束碳纳米管下部分组的位移。
(9)对中部分组采用NVT系综进行驰豫，并继续保持温度在0.01K，对上部分组采用NVE系综进行驰豫，保证系统总动量为零。
(10)在上部分组通过“弹簧”对碳纳米管进行加载。更具体地说，此“弹簧”的初始位置为碳纳米管上部分组经过上述驰豫后的质心位置，然后通过对“弹簧”施加位移实现对碳纳米管的加载。其中，通过“弹簧”实现加载，采用一步一平衡的模拟机制，即加载一次，系统进行一次驰豫。统计碳纳米管各个分组的三个方向质心坐标，以及弹簧整体的力等，完成对碳纳米管力学相关性能的分子动力学模拟。
(11)得到相应数据文件及模拟的图形文件等，根据需要对统计的信息等进行后处理，得到如弹性模量、泊松比等力学性能参数。
本发明主要具有以下优点：
a)本发明提供的数值模拟方法计算碳纳米管相关力学性能，不但可以有效减少因实验的带来成本与消耗，而且还可以模拟因相关设备和材料的限制等无法准确进行和完成的实验。
b)通过本发明方法使用“弹簧”作为传感器来统计受力，避免了基于维里公式计算应力方法存在的争议性，而且可以快捷方便的计算应力。
c)通过上述碳纳米管模拟方法的步骤及参数设置，仅通过改变上述步骤(4)的边界条件，即可实现对碳纳米管拉伸，压缩，弯曲等分子动力学模拟，计算弹性模量、泊松比等力学参数。
d)此外，通过Materials Studio可以建立不同手性的碳纳米管、多壁碳纳米管以及缺陷碳纳米管模型，通过本发明分子动力学模拟方法亦可得到其力学性能相关参数。
附图说明
图1含碳帽的单壁碳纳米管拉伸模拟示意图；
图2为含碳帽的单壁碳纳米管拉伸分子动力学模拟流程图；
图中：1含碳帽的单壁碳纳米管；2“弹簧”；3顶端分组；4近顶端分组；5中部分组；6近底端分组；7底端分组；8坐标轴；9“弹簧”位移方向。
具体实施例
下面结合附图与实施例对本发明方法作进一步的详细说明：
本发明具体实施例为对含碳帽单壁碳纳米管的拉伸分子动力学模拟，如图2为含碳帽的单壁碳纳米管拉伸分子动力学模拟流程图所示：
1)含碳帽的单壁碳纳米管1模型由Materials Studio软件建立，通过Lammps工具包msi2lmp程序将建立好的含碳帽的单壁碳纳米管模型的坐标文件转换为Lammps可识别的数据文件。使用Lammps编写程序实现对含碳帽的单壁碳纳米管的拉伸分子动力学模拟，具体步骤如下：
2)设定模拟初始参数，使用三维模拟模式，计量单位选择metal格式，设定碳原子质量，设置模拟空间三个方向边界均为非周期边界。
3)定义原子间相互作用力，本发明采用Airebo势能，可以精确的描述C原子系统之间相互作用。设置0.25飞秒为模拟的时间步长，这是因为模拟中采用的是Verlet算法，时间步长的减小可以增加模拟的精确性。
4)为了方便施加边界条件，对含碳帽的单壁碳纳米管1模型整体进行分组。具体分组如图1含碳帽的单壁碳纳米管拉伸模拟示意图所示：含碳帽的单壁碳纳米管1自上而下分为5组，分别为顶端3分组、近顶端4分组、中部5分组、近底端6分组、底端7分组。
5)对整体模型施加随机初速度，并通过能量最小化的方式对模型初始构型进行优化。
6)优化结构后，重置时间步。使用recenter命令保证底端与近底端分组的初始位置仅在局部进行结构的调整，而不离开其位置。
7)对模型整体采用NVT系综进行驰豫，其中控温方法采用Nose-Hoover方法，将温度控制在0.01K左右，以此来保证模拟不受温度影响。
8)通过将近底端、底端分组三个方向的速度和力置为零，从而约束了含碳帽的单壁碳纳米管近底端、底端分组的位移。
9)然后对中部分组采用NVT系综进行驰豫，并继续保持温度在0.01K，对近顶端和顶端分组采用NVE系综进行驰豫，保证系统总动量为零。
10)在近顶端分组通过“弹簧2”对含碳帽的单壁碳纳米管进行加载。更具体地说，此“弹簧”的初始位置为含碳帽的单壁碳纳米管近顶端分组经过上述驰豫后的质心位置，然后通过对“弹簧”施加图示坐标轴8中的Z轴正方向，即“弹簧”位移方向9实现对含碳帽的单壁碳纳米管的加载。其中，通过“弹簧”实现加载，采用一步一平衡的模拟机制，即加载一次，系统进行一次驰豫。最后统计含碳帽的单壁碳纳米管各个分组的三个方向质心坐标，以及弹簧整体的力等，完成对含碳帽的单壁碳纳米管拉伸的分子动力学模拟。
11)最后可得到相应数据文件及模拟的图形文件等，根据需要对统计的数据信息等进行后处理，得到弹性模量、泊松比，应力应变关系等力学性能参数。
综上所述，仅为本发明的具体实施方式，但发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的工程技术人员在本发明的技术范围内，可做的一些变换，都应该作为侵犯本发明的保护范围。因此本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种基于分子动力学模拟测试碳纳米管力学性能的方法，其特征在于，在分子动力学模拟中使用“弹簧”作为加载工具，实现对碳纳米管加载；并根据牛顿第三定律，统计“弹簧”上所受的力作为碳纳米管所受的载荷；
所述的分子动力学模拟包含以下步骤：
(1)由Materials Studio构建碳纳米管模型，通过Lammps将建立好的碳纳米管模型的坐标文件转换为Lammps可识别的数据文件，并使用Lammps编写程序实现对碳纳米管的拉伸进行分子动力学模拟计算；所述的模型包括不同手性的碳纳米管、多壁碳纳米管以及缺陷碳纳米管；
(2)设定模拟初始参数，采用三维模拟模式，计量单位选择metal格式，设定碳原子质量，设置模拟空间三个方向边界均为非周期边界；
(3)定义原子间相互作用力，采用Airebo势能精确的描述C原子系统之间相互作用；设置模拟的时间步长；
(4)将碳纳米管模型整体分为3组，分别为上部分组，中部分组和下部分组；
(5)对整体模型施加随机初速度，通过能量最小化的方式对模型初始构型进行优化；
(6)优化结构后重置时间步，并采用recenter命令保证下部分组的初始位置仅在局部进行结构的调整，而不离开其位置；
(7)对模型整体采用NVT系综进行驰豫，将温度控制在0.01K左右；
(8)将下部分组三个方向的速度和力置为零，约束碳纳米管下部分组的位移；
(9)对中部分组采用NVT系综进行驰豫，并继续保持温度在0.01K，对上部分组采用NVE系综进行驰豫，保证系统总动量为零；
(10)在上部分组通过“弹簧”对碳纳米管进行加载，采用一步一平衡的模拟机制，即加载一次，系统进行一次驰豫；统计碳纳米管各个分组的三个方向质心坐标以及弹簧整体的力，完成对碳纳米管力学相关性能的分子动力学模拟；
(11)根据需要对统计的信息进行后处理，得到力学性能参数。
2.根据权利要求1所述的一种基于分子动力学模拟测试碳纳米管力学性能的方法，其特征在于，所述的步骤(10)对碳纳米管进行加载具体为：“弹簧”的初始位置为碳纳米管上部分组经过上述驰豫后的质心位置，再通过对“弹簧”施加位移实现对碳纳米管的加载。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于分子动力学模拟测试碳纳米管力学性能的方法，其特征在于，所述的步骤(3)模拟的时间步长为0.25飞秒。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于分子动力学模拟测试碳纳米管力学性能的方法，其特征在于，所述的步骤(7)驰豫中的控温方法采用Nose-Hoover方法。
5.根据权利要求3所述的一种基于分子动力学模拟测试碳纳米管力学性能的方法，其特征在于，所述的步骤(7)驰豫中的控温方法采用Nose-Hoover方法。
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