Моделирование механических и физических свойств пучка углеродных нанотрубок при поперечном сжатии с использованием цепной модели с редуцированным числом степеней свободы

В работе исследуется пучок ориентированных углеродных нанотрубок (УНТ) при поперечном сжатии в условиях плоской деформации в рамках молекулярно-динамической модели с уменьшенным числом степеней свободы. Модель учитывает растяжение и изгиб стенки УНТ, а также вандерваальсовы взаимодействия. Каждая УНТ представлена кольцом атомов, имеющим две степени свободы в плоскости кольца. Дискретный характер модели позволяет описать большую кривизну стенки УНТ и разрушение УНТ при очень высоком давлении. Получены равновесные структуры кристалла УНТ при двухосном нагружении, контролируемом деформацией. Отдельные УНТ достаточно большого диаметра имеют два равновесных состояния – с круглым и схлопнутым поперечным сечением. УНТ малого диаметра в свободном состоянии могут иметь только круговое поперечное сечение. Установлено наличие двух качественных структурных трансформаций, наблюдаемых при двухосном сжатии пучка УНТ. Первая трансформация, аналогичная фазовому переходу второго рода, приводит к эллиптизации поперечных сечений УНТ. В результате второй трансформации типа фазового перехода первого рода в пучке появляются схлопнутые УНТ, доля которых постепенно растет с увеличением деформации сжатия. Рассчитаны константы упругости пучка, такие как модули Юнга, модуль сдвига и коэффициенты Пуассона. Показано, что одна из равновесных структур (с эллиптическими поперечными сечениями УНТ) обладает свойством частичного ауксетика, то есть имеет отрицательный коэффициент Пуассона при одноосном нагружении в определенном направлении. Предлагаемая цепная модель может быть эффективно применена для анализа физических и механических свойств пучков одностенных или многостенных УНТ в условиях плоской деформации, а после простых модификаций может применяться также к аналогичным структурам, изготовленным из других двумерных наноматериалов.