بررسی اثر عیوب ساختار اتمی بر ضریب انبساط حرارتی نانولوله کربنی زیگزاگ و آرمچیر به روش دینامیک مولکولی

خواص مکانیکی و فیزیکی نانولوله‌های کربنی به اندازه و ساختار اتمی وابسته است. تعیین دقیق خواص نانولوله‌های کربنی از جمله ضریب انبساط گرمایی به دلیل محدودیت‌های روش‌های آزمایشگاهی به لحاظ عملی با مشکلاتی توام است. در این مطالعه از روش دینامیک مولکولی برای بررسی ضریب انبساط حرارتی در تعدادی از نمونه‌های نانولوله کربنی که دارای قطر متفاوت و ساختار آرمچیر و زیگزاگ هستند، استفاده شده است. همچنین اثر عیوب ساختار اتمی شامل عیب استون والس و جای خالی بر ضریب انبساط حرارتی و خواص الاستیک مکانیکی طولی نانولوله کربنی مورد بررسی قرار گرفته است. تابع پتانسیل مورد استفاده در شبیه‌سازی compass بوده است. نتایج به‌دست‌آمده نشان می‌دهد که اندازه و نوع ساختار نانولوله کربنی بر مقدار ضریب انبساط حرارتی موثر است. ضریب انبساط حرارتی برای نانولوله کربنی (7 و 7) در دمای 800 کلوین برابر با k1 6.34  محاسبه شده است که تطبیق خوبی با نتایج مطالعات آزمایشگاهی در سایر مطالعات نشان می‌دهد. نتایج حاصل نشان می‌دهد که وجود عیوب ساختار اتمی عیب جای خالی بازسازی نشده، در بیشتر موارد باعث افزایش ضریب انبساط حرارتی شده است که این افزایش در نانولوله کربنی (0 و 7) برابر با 65% بوده است. عیب جای خالی بیشتر از عیب استون والس در تغییرات ضریب انبساط حرارتی موثر است. نتایج نشان می‌دهد خواص الاستیک نیز در نمونه مورد بررسی در اثر وجود عیب جای خالی در راستای طولی به اندازه 22% نسبت به نمونه بدون عیب تضعیف شده است.

Investigation of the Effect of Atomic Structure Defects on the Thermal Expansion Coefficient of Zigzag and Armchair Carbon Nanotubes Using Molecular Dynamics Method

The mechanical and physical properties of carbon nanotubes depend on their size and atomic structure. Accurate determination of the properties of carbon nanotubes, including the coefficient of thermal expansion, has many practical problems due to the limitations of laboratory methods. In this study, molecular dynamics method has been used to investigate and extract the properties of thermal expansion coefficient in a number of samples of carbon nanotubes that have different diameters and armchair and zigzag structures. In this study, the effect of atomic structure defects including Stone–Wales and vacancy defects on the coefficient of thermal expansion and longitudinal elastic mechanical properties of carbon nanotubes have been investigated. The potential function used in COMPASS simulation. Based on the obtained results, the coefficient of thermal expansion for CNT (7,7) at a temperature of 800 K is calculated at about 6.34 , which shows a good agreement with the results of laboratory studies. Also, the presence of defects in the atomic structure, including the defect of the nonreconstructed vacancy, in most cases has increased the coefficient of thermal expansion, which has been equal to 65% in CNT (0, 7). The vacancy defect is more effective than the StoneWalsh defect in changing the coefficient of thermal expansion. The results show that the elastic properties of the CNT case study are also weakened by 22% due to the defect of the vacancy in the longitudinal direction.