碳纳米管增强铝基复合材料电子理论研究ok.pdf

《碳纳米管增强铝基复合材料电子理论研究ok.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《碳纳米管增强铝基复合材料电子理论研究ok.pdf（4页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第 5 6 卷 第 3 期 2 0 0 7年 3 月 1 0 0 0-3 2 9 0 1 2 0 0 7 1 5 6(0 3)1 1 5 8 1 0 4 物 理学 报 ACT A P HYs J CA S I NI CA Vo 1 5 6，No 3，Ma r c h，2 0 0 7 2 0 0 7 C h i n P h y s S o c 碳纳米管增强铝基复合材料 电子理论研究*张国 英 张 辉 魏 丹 何 君 琦 (沈阳师范大学物理科学与技术学 院，沈 阳 1 l O O M)(2 0 0 6年 7月 2 8日收 到；2 o 0 6年 8 月 1 6日收到修改稿)采用 自行开发计算 机软件

2、，建立 了铝 晶粒大角度重位点 阵晶界模 型及碳 纳米管 与铝金属 的界 面结 构，利用递 归法计算 了纳米碳管增强铝基复合材料 的电子结构参数(铝晶界、铝与纳米管界 面及纳米 管的结构 能，体 系费米能 级等)计算结果表明：三为 5的晶界结构能最低，比较稳定；纳米碳管在铝晶粒的 晶界处与铝形成的界面结构能较 低，复合材料 中纳米碳管主要分布在铝晶粒的晶界处；铝 提高纳米 碳管 的结构能，降低 纳米碳管 的稳定 性，增 强碳 管 的物理化学 活性，且管 口处的碳原子稳定性较差，易与周围环境 中的原子结合生成稳定结构 关键词：电子结构，晶界，铝复合材料，纳米管 P ACe：71 0 0，6 1

3、7 0 N，81 4 0 1 引 言 纳米碳管由于具有独特的管状几何结构和优异 的物理化学性能，在纳米材料中 占据极 为重要的地 位 自 1 9 9 1 年发现纳米碳管 以来 J，物理学、化学、材料学等学科 的研究者对其开展了大量的探索性研 究工作 单壁纳米管几何结构简单且性 能稳定，既 适合于低维 物理化学实验与理论研究，也可用于 合成纳米尺度的复合材料 碳纳米管超强的力学性 能可以极大改善复合材料 的强度和韧性；独 特的导 电和光电性能可以改善材料的电导率和制备新型的 光电复合材料；独特结构可以制备金属或金属 氧化 物填充的一维纳米 复合材料 如今，纳米碳管复合 材料的研究 已成为一个极为

4、重要的领域 铝金属复合材料不但具有 可设 计性，而且具有 很宽广的设计 自由度，通过合理选择基体合金成分、增强体种类 以及制备工艺和参数，可以制备 出性能 优异的材料 界面结合状况是决定复合材料性能的 关键之一，碳纳米管增强相与铝没有界面反应而形 成的物理结合界面，使复合材料具有 良好 的力学性 能和热稳定性 碳纳米管增强铝基复合材料的研究 工作刚刚起步，尚有许多问题需进一步研究，如复合 界面(包括界面晶体学、界面反应 动力 学、界面结构 和性能等)、复合材料力学模型和增强机理、复合材 料的加工工艺性能和复合材料的环境性能等 理论与实验研 究表 明，单壁纳米碳管具有导体 和半导体 的性质，其物

5、理化学性能与 电子结构密切 相 关，因此，研究其 电 子结 构 参量，对 更好 利用 碳 纳 米管具有十分重要 的意义 关于纳米碳管的电子理 论研 究，目前 的主要 方法 有：P M3 方 法、密度 泛 函C 4 、N R L T B l 5 ，递归法 等方法前几种方法的 研究成果十分丰富，但采用递归法研究纳米碳管电 子特性的文献不多，且用此方法研究 纳米碳管增强 金属基复合材料 的电子结构还未见报道 本文采用 递归法研究铝基复合材料中单壁碳纳米管的行为及 铝对碳纳米管电子结构的影响，为深入开展碳纳米 管增 强 金属 基 复合 材 料 的研究 与应 用 提供 科学 依据 2 计算方法和计算模型

6、 本文采用的递归法基于紧束缚近似建立系统哈 密顿矩阵，通过幺正变换把哈密顿矩 阵变换成三对 角化形式，并由此定义实空间局部格林 函数，格点态 密度可由格林函数求 出 总态密度为格点态密度之*国家 自然科 学基金(批准号：5 0 6 7 l o 6 9，5 0 5 7 1 0 7 1)，辽宁省 教育厅科学研究 计划(批 准号：0 5 L 2 9 7)，沈 阳师范大学博 士启 动基金 资助的 课题 十 E-ma i l：Gy d m g 1 9 6 5 s i n a C O rn 维普资讯 http:/ 物 理 学 报 5 6卷 和 其他电子结构参量均在此基础 上计算得 出，其 具体计算过程见文

7、献 8，9 计算 中哈密顿对角矩 阵元和普适参数取自固态表n n ，哈密顿非对角矩阵 元取为 S l a t e r-K o s t e r 积分 计 算 中原子价电子组 态取为c：2 s 2 2 p 2，A l：3 s 3 p 图 1 晶界模型 图 2晶界处包含碳 纳米管模型 碳纳米管团簇模型采用 1 5层原子环，每层原子 环 1 2个原子，共有 1 8 0个原子代表有限长度的椅形 C(6，6)纳米管 建立碳纳米管与基体金属铝界 面的 计算模型时，采用 自行开发的计算机软件先将铝 晶 粒或晶界抠出一圆柱 区域，然后将同体积 的碳纳米 管装入形成 图 2给出晶界包含碳纳米管的原子集 团在 X-

8、Y面的投影，因篇幅所 限，其他计算模 型不 再给出 3 计算结果与分析 3 1 铝晶界区域的结构能及其稳定性 本文分别计算了三种 晶界的结构能，计算步骤 为：在晶界处 取一 圆柱 体(半径 R：4 5 A，长 l：2 5 A)，用递归法计算该圆柱体 的所有原子的结构 1 能，见表 1 结果表明重位密度为 1 时圆柱体 内共有 J 1 7 个原子，其结构能为 一7 7 6 6 2 9 5 e V，重位密度为 吉 和 时 圆 柱 体内 共 有1 3 个 原 子，其 结 构 能 分 别 为 1 6 1 2 8 1 8 0 与 一5 8 3 3 4 0 5 e V 显然，重位密度为 J 的大角度晶界能

9、量最低，是 比较稳定的 重位密度 为 1 的晶界能量最高，它的稳定性最低 重位密度 11 1 为去的晶界则介于二者之间 可见，合金中的晶界 了 为了减小界面能量趋于形成大重位密度 的点 阵，可 以推想这种晶界在合金中占主导地位 下面 的计算 分析均以这种晶界为依托开展研究工作 表 1 不 同重位密度晶界的结构能 3 2 纳米管与铝基体的界面结构能 复合材料的基体金属铝 由大量的晶粒组成，碳 纳米管分布在晶内还是分布在晶界?为了解决这一 问题本文分别计算 了纳米管在晶内与晶界时与铝基 体形成的界面区域结构能(见表 2)比较发现，纳米 管处于晶内与铝形成的界面结构能明显高于其处在 晶界，这充分说

10、明纳米管在铝晶界要 比其处于晶内 稳定，从能量 观点来看，纳米管应分 布在铝基体 的 晶界 在铝液形核结 晶过程 中，碳管作为异质核心本 应优先形核长大，但由于碳管半径小于临界晶核半 维普资讯 http:/ 3 期 张国英等：碳纳米管增强铝基复合材料电子理论研究 l 5 8 3 径，其生长将导致体系 自由能的增加，故这种晶胚不 能稳定地长大 而均匀形核长大的铝 晶粒把碳管推 到铝晶粒界 面，导致 碳纳米 管主要 分 布在铝 晶界 上 实验研究发现 的现象与本文理论分析一致，说 明本文的理论分析是可靠 的 表 2 纳米管与铝界面的结构能(e v)晶 界 晶 内 一1 9 2 2 1 2 9 8

11、4 3 0 3 3 铝对碳纳米管的电子特性影响 铝基体 中碳纳米管 的电子结构对复合材料的界 面性能有很大影响，而界 面性能又直接关 系到复合 材料的力学性能 因此，研究铝对碳管 电子结构参 数的影响规律，对更好认识并设计高性 能复合材料 具有重要作用 表 3与表 4分别列 出单纯纳米管及 铝基复合材料 中纳米管 的 电子结 构参数 计算 表 明，铝使纳米碳管的费米能级与结构能增高，并对管 口、近管 口与管内的碳原子电子数、格位能产生一定 影响，使碳管上的碳原子格位能升高 总体来讲，铝 降低 了纳米碳管的稳定性，增强碳管 的物理化学活 性 纳米管近管 口及 管体内的碳原 子格位能、轨道 电子数

12、极为相近，近管 口及管体内的碳原子格位能 低于管 口，表明管 口处的碳原子稳定性较差，极易与 表 3 纳米管的电子特征 周 围环境 中的原子结合生成稳定结构 上述分析还显示，纳米碳管管 口的影响具有局 部性质，它对管体甚至临近管 口碳环 的影响都是很 小的，由此产生的纳米碳管的物理化学活性也仅局 限在管 口处 可见管 口对纳米管的应用具有十分重 要的作用 能量 e V 图 3 纳米碳管的总态密度 图 3为纳米碳管的总态密度，其 中实线代表单 纯碳纳米管，虚线代表铝基复合材料 中的碳纳米管 铝对碳纳米管总态密度 的影响极大，使得碳纳米管 完全丧失了半导体特性，趋于与金属基体同化 4 结 论 1

13、金属铝 中重位密度为 1的大角度晶界结 构 J 能最低，是比较稳定的 从能量角度考虑，基体金属 1 铝中晶粒的连接应以重位密度为的大角度晶界结 J 构为 主 2 纳米碳管在铝金属 晶界处 与铝 形成 的界面 结构能较低，复合材料 中纳米碳管主要分布在铝 晶 粒 的 晶界处 3 铝使纳米碳管的结构能提高，降低 了纳米碳 管的稳定性，增强碳管的物理化学活性，且管 口处的 碳原子稳定性较差，极易与周 围环境 中的原子结合 生成稳定结构 I i j i m a S 1 9 9 1 N a t u r e 3 5 4(6；4 8)5 6 A i a y a nPM，R a v i k u m a rV。

14、C h a r l i e r J C 1 9 9 8 P h y s R e v L e t t 8 1 1 4 3 7 Y F，I J J Q，Z h a n gM X 2 0 0 2 A a aC h mS i n 砷 2 7 2(i n C h i n e s e)章永凡、李俊镀、张明听 2 O 0 2化学学报 砷 2 7 2 4 5 6 L i a n g JW，H u H F，We i J W 2 0 0 5 A c t aP h y s S i n 5 4 2 8 7 7(i n C h i n e s e)梁君武、胡慧芳、韦建卫 2 0 0 5物理学报 54 2 8 7 7 Z

15、 h o u Z Wa n g C Y 2 0 0 5 N a t u r e S c P r o g r e s s 1 5 1 2 3 7(i n C h i r e)周正、王崇愚 2 0 0 5自然科学进展 1 5 1 2 3 7 H。C h e n J W 2 0 0 3 A c t a P h y s S i n 5 2 6 6 4(i n C h i n e s e)刘 Q 暑 0Q 维普资讯 http:/ 1 5 8 4 物 理 学 报 5 6 卷 7 8 9 红、陈将 伟 2 0 0 3物理学报 5 2 6 6 4 I I a y d o c k R 1 9 8 0 S o l

16、 d S t a te脚 s 3 5(N e w Y o r k：A c a d e m i c P r e s s)p 2 1 6 L i u G L，I A R D 2 0 O 4 A c ta P S i n 5 3 3 4 8 2(i n C h i n e s e)刘 贵立、李荣德 2 O O 4物理学报 5 3 3 4 8 2 z hI I g G Y，H，L i u CM；Z h o u Y J 2 0 0 5 h a a脚 s S i n 5 4 1 7 7 1(i n C h i n e s e)张 国英、张辉、刘春明、周永军 2 0 0 5物理 1 o 1 1 1 2 学报

17、 54 1 7 7 1 H B n i s o n W A 1 9 8 0 E le c t r o n i c S t r u a u r e a n d t h e P r o p e r t ie s o fS o l&(&m F r a n c i s c o：F r e e m a n)p 5 5 1 S l a t e r J C，Ko s t G F 1 9 5 4 P Re v 9 4 1 4 9 8 L iu B，D e n g F M，Q u J X 2 0 0 3 W e a pMa t e r S t i E n g 2 6 (6)5 4(in C h i n e s

18、e)刘 白、邓福铭、曲敬信 2 0 0 3兵器材料科 学 与工程 2 6(6)54 El e c t r on i c t h e or y s t u di e s o f a I u mi n u m ma t r i x c o mp o s it e r e i n f or c e d b y c a r b on n a n o t u b e Z h a n g G u o-Y i n g Z h a n g H u i We i D a n He J u n Q i (C o l le g e o fP S c i e n c e a n d T e c h n o l o g

19、 y，S h e n y a n g lV o r m a l w i,mt y，S h e n y a n g 1 1 0 0 3 4，C h n a)(R e c e i v e d 2 8 J u l y 2 0 0 6；r e v i s ed m a n u s c r i p t r e c e i v ed 1 6 A u g u s t 2 O O 6)Abs t r a c t m o d e l s o f t h e h i g h a n g l e g r a i n b o u n d a ri e s w i t h d i ff e r e n t 三(5，9，

20、1 1)o f p u re a l u m i n u m a n d t h e i n t e r f a c e b e t w e e n c a r b o n n a n o t u be a n d p u re alu mi n u m w e re c o n s t r u c t e d b y t h e s e l f-d e v e l o p e d c o mp u t e r s o f t wa re1 1 1 e e l e c t r o n i c s t r u c t u res f s t r u c t u r e e n e r g i e

21、 s o f alu mi n u m g r a i n b o u n d a ri e s，t h e i n t e r f a c e s be t w e e n c a r b o n n a n o t u be a n d p u re alu mi n u m，c a r b o n n a n o t u bes a n d f e r mi l e v e l s o f d i ff e ren t s y s t e ms，e t c )o f t h e c a r b o n n a n o t u be rei o ree d alu min u m m a

22、t r i x c o m p o s i t e s w e re c alc u l a t e d w i t h R e c u r s i o n me t h o d1 1 1 e c alc ula t e d res u l t s s h o w t h a t t h e s t r u c t u re e n e r g y o f t h e alu mi n u m h i g h a n g l e g r a i n b o u n d a r y wi t h =5 i s t h e l o w e s t,i t i s t h e mo s t s t

23、a b l e s t ruc t u re C a r b o n n a n o t u be s a re ma i n l y d i s t ri b u t e d alo n g alu mi n u m g r a i n b o u n d a r i e s i n t h e c o mpo s i t e，a s t h e s t ruc t u re e n e r g y o f t h e i n t e r f a c e be t we e n c a r b o n n a n o t u be a n d p u re alu mi n u m n e

24、ar t h e alu mi n u m g r a i n b o u n d a r y i s l o w e r t h a n t h a t i n o t h e r reg i o n s e alu min u m c a n i n c rea se t h e s t ruc t u re e n e r g y o f t h e c a r b o n n a n o t u b e i n alu min u m ma t rix red u c e i t s s tab i l i t y a n d i mp mv e t h e p h y s i c o

25、-c h e mi c al a c t i v i t y o f i t e c a r b o n a t o m n e ar t h e n o z z l e o f n a n o t u be i s mo re u n s tab l e an d e a s y t o c o mb i n e wit h s u r r o u n d i n g a t o ms t o f 0 r il l t h e s tab l e s t ruc t u re Ke y wo r d s：e l e c t r o n i c s t ruc t u re，g r a i n

26、 b o u n d a ry，a l u mi n u m ma t ri x c o mpo s i t e，n a n o t u b e PACC：7 1 0 0，6 1 7 0N，8 1 4 0 *P r o j e c t s p o mo r e d b y t h eN a d o n a l N a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o n o f C hin a(G r a mN e e 5 0 6 7 1 0 6 9，5 0 5 7 1 0 7 1)，the Sci e n c eR e s e a r c hP l a n o f I A a o n i n gP r o vi n c e E d u c a t i o n B u r e a u(G r a n t N o O 5 1 2 9 7)a n d the D o c t o r S t a r t i n g P r o j e c t o f S h e n y a n gNo r ma l U n i v e r s i t y t Co m s p o n d i n g a u tho r E-ma i hGy z h a n g 1 9 6 5s im c,o m 维普资讯 http:/