袁劍輝 雷欽文 劉其城

(長沙理工大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院,柔性電子材料基因工程湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長沙 410114)

1 引 言

近年來人們已發(fā)現(xiàn)填充金屬的碳納米管(CNT)在力學(xué)性質(zhì)方面能表現(xiàn)出與單獨(dú)金屬和納米管極大不同[1?5].如Wang等[6]計(jì)算了填充金屬原子(Ni,Pt)的CNT的屈曲應(yīng)變,并發(fā)現(xiàn)填充金屬原子的CNT臨界應(yīng)變比空心CNT更大.Soldano和Mariscal[7]使用修正的嵌入原子模型方法研究了CNT內(nèi)Fe納米線的基本晶體結(jié)構(gòu)形態(tài)及其力學(xué)性能.Guo等[8]研究了填充Au原子CNT復(fù)合結(jié)構(gòu)(AuNW@CNT)軸向壓縮形變,發(fā)現(xiàn)其抗屈強(qiáng)度明顯高于中空管CNT,填充Au原子明顯有助于CNT的碳原子的坍塌.然而,在各種納米管及不同管徑納米管里形成的金屬與半導(dǎo)體納米線卻鮮有報(bào)道[9,10],由于尺寸效應(yīng)和表面重構(gòu),金屬與半導(dǎo)體納米線在自由空間顯示出與塊體材料很大的不同,包括量子限域效應(yīng)和單電子傳輸效應(yīng)等.但是,這些自由空間的金屬與半導(dǎo)體納米線受各種環(huán)境影響,性能極不穩(wěn)定,如側(cè)壓變形、氧化腐蝕等.因此,如果能在這些自由空間的金屬與半導(dǎo)體納米線外包覆一層惰性原子,如結(jié)構(gòu)持續(xù)穩(wěn)定的抗氧化納米管,那么就能有效防止納米線被氧化,抑制納米線原子sp3雜化及共價(jià)鍵的形成等,從而使納米線結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定.這種由納米線構(gòu)成的復(fù)合結(jié)構(gòu)將有更穩(wěn)定的物理性能,其納米線材料將在微-納米電子學(xué)方面得到更廣泛的應(yīng)用.

金屬納米材料是納米材料的一個(gè)重要分支,是目前熱門研究之一[11?13].特別是其一維納米結(jié)構(gòu)的金屬或半導(dǎo)體可能在微納電子器件中有很多潛在的應(yīng)用,人們對(duì)多種自由空間結(jié)構(gòu)的金屬與半導(dǎo)體納米線已經(jīng)開展了系統(tǒng)深入的研究,并獲得許多重要成果[14?19].如銅納米線、銀納米線和鋁納米線(AlNW)已經(jīng)成為微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)和小型機(jī)械系統(tǒng)的重要組成材料[20].特別是還發(fā)現(xiàn)AlNW可應(yīng)用于火箭推進(jìn)劑、火炸藥及太陽能電池鋁背場(chǎng)等重要領(lǐng)域,對(duì)于國家的軍事和經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有非常重要的意義.如鋁納米材料還可使導(dǎo)彈和魚雷在目標(biāo)采取規(guī)避措施前就以極快的速度進(jìn)行攻擊,并能使發(fā)射藥燃燒率達(dá)到現(xiàn)有發(fā)射藥的10倍,使子彈的攻擊速度更快.因鋁具有許多優(yōu)良的物理化學(xué)性能,如質(zhì)輕密度小、電導(dǎo)率高和延展性好,表面易形成致密的氧化物保護(hù)膜,從而具有耐腐蝕可抵抗各種惡劣環(huán)境等性質(zhì).特別是鋁質(zhì)器件具有好的成型工藝和較低的制備成本等優(yōu)勢(shì),已在國民經(jīng)濟(jì)各部門和國防工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用.在納米研究領(lǐng)域,AlNW已初步顯現(xiàn)出廣泛的潛在應(yīng)用前景.如透明電極[21]、鋁空氣電池[22]、鋁離子電池[23]、鋰離子電池[24]、晶體管[25]、瞬態(tài)能量設(shè)備和高能器件[26]等.人們也期望AlNW在三維微型電池的電流收集器[27]、納米電子器件中的超導(dǎo)體[28]以及潛在的場(chǎng)發(fā)射候選材料[29]方面發(fā)揮重要作用.特別是近年來已有眾多制備AlNW的研究報(bào)道,如通過原子遷移物理制備方法成功制備多種鋁微納米材料,包括鋁微米線[30]和鋁微米球[31]等.特別是鹿業(yè)波等[20]成功地利用電遷移在局部區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了AlNW陣列的制備,并通過分析其制備機(jī)理,提出應(yīng)力遷移難以制備AlNW的基本原因,為利用原子遷移實(shí)現(xiàn)工業(yè)化制備AlNW陣列提供了一定的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).最近,Wang和Li[32]通過二維納米膜的電沉積、三維納米核的電化學(xué)形成和最終一維納米線的生長三個(gè)階段成功地從室溫離子液體中直接電沉積出AlNW.Chen 等[33]在還原氧化石墨烯(RGO)襯底上一步原位合成單晶AlNW.Azuma等[34]以苯乙烯納米纖維為掩膜材料通過對(duì)鋁金屬化聚酯薄膜進(jìn)行濕法蝕刻方法合成了AlNW.

氮化硼納米管(BNNT)結(jié)構(gòu)與CNT結(jié)構(gòu)很相似,它們表現(xiàn)出許多類似的物理和化學(xué)性質(zhì)[35?37].然而,與CNT比較,BNNT在高溫下有更好的力學(xué)性能、更好的熱穩(wěn)定性和抗氧化性[38].因而,CNT與BNNT在不同條件下均可提供一個(gè)有效的抗氧化屏障.如能將AlNW包覆在CNT與BNNT內(nèi),可實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)高溫抗氧化能力,抵抗外來侵蝕,使其結(jié)構(gòu)保持相對(duì)穩(wěn)定.特別是BNNT具有高溫穩(wěn)定和高絕緣特征[39?44],使得其在納米電子器件和納米結(jié)構(gòu)陶瓷材料方面有潛在的應(yīng)用前景.因此,AlNW@BNNT復(fù)合結(jié)構(gòu)也可能在技術(shù)應(yīng)用中有著顯著的優(yōu)勢(shì).Kumar等[45]采用分子動(dòng)力學(xué)模擬方法,研究了封裝在單壁CNT中的銀納米線的結(jié)構(gòu)形貌.發(fā)現(xiàn)單壁納米管的直徑是控制銀納米線基本形貌的主要因素之一,為金屬納米線合成的固態(tài)物理現(xiàn)象提供了理論指導(dǎo),提高了人們對(duì)金屬納米線合成固態(tài)物理現(xiàn)象的認(rèn)識(shí).我們近期已研究過多種CNT及BNNT內(nèi)嵌原子或納米管復(fù)合結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及其抗壓特性[46?50],也對(duì)石墨烯及硼墨烯納米片復(fù)合結(jié)構(gòu)的相關(guān)特性進(jìn)行了研究[51?54],本文在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步通過分子動(dòng)力學(xué)方法來研究AlNW@CNT (n,n)與AlNW@BNNT (n,n) (n=5,10)復(fù)合結(jié)構(gòu)及其AlNW基本結(jié)構(gòu)特性; 通過對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)的軸向壓縮模擬及其能量分析來研究復(fù)合結(jié)構(gòu)抗壓能力及維系納米復(fù)合結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的基本原因.

2 計(jì)算模型與方法

首先構(gòu)建由20個(gè)重復(fù)單元組成的管長為4.919 nm的CNT (5,5) CNT (10,10)和BNNT(5,5) BNNT (10,10)納米管,然后在管內(nèi)充以足量的鋁原子,采用基于Universal Force Field(UFF)理論的分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[55,56],得到穩(wěn)定的AlNW@CNT (5,5),AlNW@CNT (10,10)與AlNW@BNNT (5,5),AlNW@BNNT (10,10)復(fù)合體.采用徑向分布函數(shù)(radical distribution function,RDF)對(duì)形成的AlNW晶體結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行單點(diǎn)數(shù)據(jù)分析[57].RDF是目前廣泛使用且精度較高的體系結(jié)構(gòu)分析方法,其圖譜通常表現(xiàn)為由若干分離銳峰或譜峰組成,晶格結(jié)構(gòu)特性主要由這些峰的峰間距、半高寬與峰值高度所決定.RDF的各峰位值相應(yīng)于晶格原子與參考原子間的各級(jí)近鄰間距.為模擬研究其抗壓性能,對(duì)其復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行分步軸向壓縮方式(步長為0.5 ?),相繼對(duì)其幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化.在此優(yōu)化過程中,因每步對(duì)納米管兩端部分原子采取事先固定模式,故AlNW@CNT和AlNW@BNNT有效長度分別為4.515與4.610 nm.幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)化使得模型結(jié)構(gòu)原子按一定規(guī)則發(fā)生幾何轉(zhuǎn)動(dòng)與相對(duì)位移等,逐步使其應(yīng)變勢(shì)能趨于最小的平衡態(tài)結(jié)構(gòu)體系.最后,依據(jù) UFF基本理論,獲取每步形變狀態(tài)下的應(yīng)變能.

UFF力場(chǎng)方法也是一種精度較高且計(jì)算量相對(duì)較小的普遍適用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù),基本上可對(duì)周期表上所有元素進(jìn)行計(jì)算.特別適應(yīng)于周期表主族元素、過渡金屬無機(jī)物及有機(jī)金屬化合物等.其相互作用總勢(shì)能可歸為成鍵與非成鍵兩類多項(xiàng)之和:

其中,反映鍵長伸展的鍵能ER,反映角度彎曲的角能Eθ,反映面間角扭曲的扭曲能Eτ及反演項(xiàng)Eω為成鍵類相互作用; van der Waals相互作用勢(shì)EvdW與靜電相互作用勢(shì)Eel為非成鍵相互作用,其具體表達(dá)形式及相關(guān)參量參見文獻(xiàn)[55,56,58].

3 結(jié)果與討論

3.1 AlNW的形成

納米管的模擬研究大多采用典型扶手椅型或鋸齒型進(jìn)行研究[37,46?49],為問題研究簡潔性且具代表性,本文選擇扶手椅型CNT (n,n)和BNNT (n,n)進(jìn)行研究.因n不同,扶手椅型納米管管徑不同,為反映明顯的管徑影響效果,n選取差別較大的5和10進(jìn)行計(jì)算.本文對(duì)充以足量鋁原子的CNT (5,5),CNT (10,10)與 BNNT (5,5),BNNT(10,10)納米管進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化,其優(yōu)化過程中微結(jié)構(gòu)演變模型如圖1所示.因鋁原子在管內(nèi)具有較高的起始分布密度,原子間表現(xiàn)出較大的相互排斥作用,故在結(jié)構(gòu)達(dá)到平衡狀態(tài)前優(yōu)化過程中,管中鋁原子密度自然大于兩頭,其原子逐漸從納米管兩頭逸出,直到平衡穩(wěn)定結(jié)構(gòu)形成.圖2給出了AlNW@CNT (n,n)和AlNW@BNNT (n,n) (n=5,10)最后達(dá)到平衡狀態(tài)的幾何優(yōu)化結(jié)構(gòu),其中圖2(a)—圖2(d)左、右圖分別表示其正視圖與側(cè)視圖.為更清楚地觀察AlNW原子的分布狀況,在側(cè)視圖中,其納米管僅以框架顯示,且對(duì)鋁原子尺寸采取適當(dāng)放大.從模擬結(jié)果可發(fā)現(xiàn): 對(duì)于n=5的小管徑納米管內(nèi)鋁原子均勻分布在納米管軸線上,呈現(xiàn)出一列穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的一維納米線; 對(duì)于n=10的大管徑CNT與BNNT內(nèi)鋁原子表現(xiàn)出不同的結(jié)構(gòu)特征,CNT內(nèi)形成11束關(guān)于軸對(duì)稱分布的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的一維納米線,BNNT內(nèi)形成的是5束螺旋結(jié)構(gòu)形狀的納米線.研究結(jié)果可為不同微納器件中所需不同結(jié)構(gòu)形狀的納米線提供設(shè)計(jì)方法,如實(shí)現(xiàn)能量的存儲(chǔ)與釋放的納米彈簧、納米螺線管等.

圖1 鋁原子在CNT (n,n)和BNNT (n,n)納米管內(nèi)微結(jié)構(gòu)演變模型 (a) CNT (5,5)和CNT (10,10); (b) BNNT(5,5)和BNNT (10,10)Fig.1.Models of the microstructure evolution of the aluminum atoms filled in CNT (n,n) and BNNT (n,n) nanotubes: (a) CNT (5,5) and CNT (10,10); (b) BNNT (5,5)and BNNT (10,10).

為進(jìn)一步反映在不同管內(nèi)AlNW的形成差異,對(duì)AlNW@BNNT (n,n)與AlNW@CNT (n,n) (n=5,10)內(nèi)AlNW進(jìn)行了RDF數(shù)據(jù)量化分析(圖3).從圖3(a)可看到,CNT(5,5)管內(nèi)AlNW的RDF峰值相對(duì)較強(qiáng),各峰分布較銳,表明結(jié)晶性相對(duì)更佳.CNT (5,5)管內(nèi)AlNW的前三個(gè)主峰分別位于0.421,0.843與1.263 nm處.BNNT (5,5) 管內(nèi)AlNW的前三個(gè)主峰分別位于0.439,0.879與1.319 nm處,各峰相對(duì)較弱且有少許分布寬度.由此說明,AlNW@CNT (5,5)內(nèi)AlNW的一維性、原子分布均勻性略優(yōu)于AlNW@BNNT (5,5)內(nèi)的AlNW,其主要原因可歸于構(gòu)成外管原子性質(zhì)的差異.CNT只有一種C原子構(gòu)成,對(duì)內(nèi)部Al原子作用是均一的,而BNNT是由兩種不同原子B,N構(gòu)成,對(duì)內(nèi)部Al原子作用可能造成差異.通過圖3發(fā)現(xiàn),AlNW@CNT (5,5)內(nèi)AlNW的RDF第一峰位置及峰間距小于AlNW@BNNT (5,5).因此,與AlNW@ BN (5,5)相比,AlNW@CNT (5,5)內(nèi)AlNW的具有較小的原子近鄰距離,原子分布密度相對(duì)較大.因原子距離較近,各原子的電子能級(jí)可能重疊區(qū)域增大或通過原子軌道組合成新的分子軌道,其能量將大大降低,更有利于原子間形成s鍵,增大結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和力學(xué)性能.從圖3(b)可看出,BNNT (10,10)管內(nèi)AlNW的RDF峰值相對(duì)較強(qiáng),各峰峰形較尖銳,表明結(jié)晶性能相對(duì)更高.BNNT (10,10)管內(nèi)AlNW的前三個(gè)主峰分別位于0.423,0.564與0.705 nm處,相應(yīng)CNT (10,10) 管內(nèi)AlNW主峰位置別位于0.441,0.588與0.735 nm處,AlNW在CNT管內(nèi)比在BNNT管內(nèi)的各峰相對(duì)較弱且有較大分布寬度.由此說明,BNNT(10,10)內(nèi)形成的5束螺旋結(jié)構(gòu)形狀的AlNW具有較好的原子分布,其整體結(jié)晶性較佳.CNT內(nèi)雖可形成11束關(guān)于軸對(duì)稱分布的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的一維納米線,但由于中心軸位置的AlNW與非中心軸10束AlNW存在差異導(dǎo)致整體AlNW結(jié)晶性欠佳.另外,當(dāng)管徑較大時(shí),CNT中碳原子對(duì)內(nèi)部鋁原子的橫向均一約束作用減弱,鋁原子與CNT軸向非均勻作用增強(qiáng)所致.BNNT中兩種不同原子B,N對(duì)內(nèi)部Al原子雖表現(xiàn)出軸向差異性,但隨管徑增大這種作用會(huì)適當(dāng)減弱,同時(shí)本身螺旋結(jié)構(gòu)特征的BNNT自然對(duì)內(nèi)沿螺旋方向分布的Al原子的作用可能表現(xiàn)出較好的均勻性.

圖2 優(yōu)化后的AlNW@CNT和AlNW@BNNT復(fù)合結(jié)構(gòu) (a) AlNW@CNT (5,5); (b) AlNW@BNNT (5,5);(c) AlNW@CNT (10,10); (d) AlNW@BNNT (10,10)Fig.2.Structure of the optimized AlNW@CNT and AlNW@BNNT: (a) AlNW@CNT (5,5); (b) AlNW@BNNT (5,5);(c) AlNW@CNT (10,10); (d) AlNW@BNNT (10,10).

3.2 AlNW@CNT (n,n)與AlNW@BNNT(n,n) (n=5,10)的抗壓性能

按前述壓縮模擬基本方法,對(duì)AlNW@CNT(n,n)與AlNW@BNNT (n,n) (n=5,10)復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不同軸向壓縮應(yīng)變(e)條件下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,其受壓屈曲前后內(nèi)外結(jié)構(gòu)狀況如圖4和圖5所示.在壓縮開始階段,AlNW@CNT (n,n)與AlNW@BNNT (n,n)隨應(yīng)變均表現(xiàn)為均勻彈性行為,沒有明顯管形變化.從圖4可看到,當(dāng)壓縮應(yīng)變分別達(dá)到11.1%與7.0%時(shí),AlNW@CNT (5,5)與AlNW@BNNT (5,5)均發(fā)生明顯側(cè)向屈曲,納米管發(fā)生扭曲,納米管內(nèi)的AlNW原子被分成二段,鋁原子分布差異性不大.從圖5可看到,當(dāng)壓縮應(yīng)變分別達(dá)到8.9%與6.6%時(shí),AlNW@CNT(10,10)與AlNW@BNNT (10,10)發(fā)生明顯內(nèi)陷屈曲,納米管發(fā)生扭曲,納米管內(nèi)的AlNW原子表現(xiàn)出中部緊縮跡象,且可看到CNT內(nèi)AlNW僅一處緊縮,而BNNT表現(xiàn)兩處緊縮.當(dāng)壓縮應(yīng)變分別進(jìn)一步增加到11.1%與8.9%時(shí),CNT內(nèi)的AlNW表現(xiàn)出中部斷裂,分成二段,而BNNT內(nèi)AlNW中部表現(xiàn)出二處斷裂,分為三段.模擬結(jié)果顯示,相同管長的AlNW@CNT (n,n)的屈曲應(yīng)變明顯大于AlNW@BNNT (n,n).同類型納米管,管徑越大,屈曲應(yīng)變明顯減小.這說明AlNW@CNT (n,n)復(fù)合結(jié)構(gòu)抗壓強(qiáng)度高于AlNW@BNNT (n,n),CNT對(duì)內(nèi)部AlNW抗屈曲保護(hù)保護(hù)效應(yīng)強(qiáng)于BNNT,特別是較小管徑復(fù)合納米管.其結(jié)果可歸因于: 1) AlNW在CNT管內(nèi)擁有相對(duì)較大的Al原子線密度,有利于形成增大結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和力學(xué)性能s鍵,對(duì)增強(qiáng)抗壓性能起了決定性作用; 2)大管徑CNT管內(nèi)AlNW是軸向一維分布的,而大管徑BNNT內(nèi)的AlNW是螺旋結(jié)構(gòu)形狀的,更多鋁原子分布于橫截面方向,相對(duì)減少了軸向承壓原子數(shù)目; 3)同類型納米管,管徑越小,軸向承壓時(shí)由于管壁對(duì)面六邊形相距較近,相互作用較大,更有利于抵抗橫向內(nèi)陷.研究結(jié)果可為不同應(yīng)用條件下(如高溫、高壓、抗氧化等)選擇不同AlNW增強(qiáng)復(fù)合結(jié)構(gòu)提供參考.

圖3 在CNT (n,n)與BNNT (n,n)中AlNW的RDF (a) n=5; (b) n=10Fig.3.RDF of AlNW in CNT (n,n) and BNNT (n,n): (a) n=5; (b) n=10.

圖4 屈曲前后的(a) AlNW@CNT (5,5)與(b) AlNW@BNNT (5,5)結(jié)構(gòu)Fig.4.(a) AlNW@CNT (5,5) and (b) AlNW@BNNT (5,5)nanotubes before and after buckling.

圖5 屈曲前后的(a) AlNW@CNT (10,10)與(b) AlNW@BNNT (10,10)結(jié)構(gòu)Fig.5.(a) AlNW@CNT (10,10) and (b) AlNW@BNNT(10,10) nanotubes before and after buckling.

為揭示上述現(xiàn)象的原因,選取AlNW@CNT(10,10)與AlNW@BNNT(10,10)在不同應(yīng)變條件下的鍵能(EB)、角能(EA)、扭曲能(ET)、van der Waals能(EV)及總勢(shì)能(ETP)進(jìn)行了計(jì)算分析.EB,EA及ET相應(yīng)于鍵長、鍵角及管形變化引起的勢(shì)能.EV主要源于管壁間相互作用勢(shì).屈曲主要表明大的管形變化,同時(shí)必然引起內(nèi)部納米線與外管間距的較大變化,故通常表現(xiàn)為ET明顯增大與EV明顯減小基本規(guī)律.并依其具體破壞情形,可伴隨著鍵、角能的不同變化趨勢(shì).AlNW@CNT(10,10)與AlNW@BNNT (10,10)的具體計(jì)算結(jié)果如圖6所示,可以看出,AlNW@CNT與AlNW@BNNT的各種能量變化規(guī)律具有相似性.屈曲前,總勢(shì)能隨應(yīng)變基本保持較好的拋物線形,這是材料發(fā)生彈性形變的基本特征.當(dāng)壓縮應(yīng)變超過屈曲應(yīng)變后,其能量將發(fā)生較大突變.主要表現(xiàn)為EB,EV明顯下降,ET增大,相對(duì)較小的EA變化不是很明顯.仔細(xì)觀察可發(fā)現(xiàn),AlNW@BNNT的EB在屈曲后下降到比EA還小.這說明屈曲發(fā)生時(shí),BNT鍵長與管型已發(fā)生較大變化,但管壁六邊形形狀變化不大.通過比較圖6(a)與圖6(b)也可以看到AlNW@CNT的EV明顯高于AlNW@BNNT,且隨應(yīng)變?cè)龃笠蚕鄬?duì)明顯,說明較大的van der Waals能可起到維持外管管形、保護(hù)內(nèi)部AlNW的作用.因此,較大的van der Waals能是維系復(fù)合納米管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、增大抗壓能力的主要原因.鋁原子在兩種不同納米管內(nèi)表現(xiàn)出不同的陣列方式,其差異由納米管的差異引起.這些不同陣列方式反過來對(duì)CNT和氮化硼復(fù)合結(jié)構(gòu)抗壓性能產(chǎn)生一定程度的影響,其一般的力學(xué)性能主要來源于納米管的貢獻(xiàn),管內(nèi)鋁原子主要通過van der Waals作用傳遞影響其復(fù)合結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性.

圖6 (a) AlNW@CNT (10,10)與 (b) AlNW@BNNT (10,10)的能量與壓縮應(yīng)變e的關(guān)系Fig.6.Energy of a (a) AlNW@CNT (10,10) and (b) AlNW@BNNT (10,10) as a function of the compression strain.

4 結(jié) 論

通過對(duì)管內(nèi)充以一定數(shù)量鋁原子的CNT和BNNT進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化發(fā)現(xiàn): 當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到平衡時(shí),管內(nèi)鋁原子整齊排列成各種納米線形狀; (5,5)和(10,10)型CNT和BNNT內(nèi)分別形成一束一維AlNW和多束AlNW,其中(10,10)型CNT內(nèi)形成11束高度軸對(duì)稱一維AlNW,而BNNT (10,10)內(nèi)形成5束螺旋結(jié)構(gòu)形狀的AlNW.其RDF數(shù)據(jù)分析表明: CNT內(nèi)的AlNW具有比BNNT內(nèi)的AlNW較大的原子分布線密度,但大管徑BNNT內(nèi)的螺旋狀A(yù)lNW可以具有比相同管徑CNT內(nèi)的AlNW更高的結(jié)晶性.該結(jié)果對(duì)不同應(yīng)用條件下選用AlNW具有重要意義.通過對(duì)AlNW@CNT和AlNW@BNNT復(fù)合結(jié)構(gòu)軸向壓縮模擬與能量分析發(fā)現(xiàn): AlNW@CNT復(fù)合結(jié)構(gòu)的抗屈曲應(yīng)變能力明顯強(qiáng)于AlNW@BNNT,且屈曲應(yīng)變隨管徑增大而減小.即較小管徑的AlNW@CNT具有較強(qiáng)軸向抗壓能力.能量分析表明: 較大的van der Waals相互作用是維系復(fù)合納米管結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,增大抗壓能力的主要原因.