Mechanical Behaviour of Non-Carbon Nanotubes: a Numerical simulation study

Abstract

The main objective of the work presented is to perform a numerical simulation study on boron – 15th element group (nitrogen, phosphorus, arsenic and antimony) nanotubes and nanosheets and assess their elastic properties, such as the tensile, bending and torsional rigidities, the Young’s and shear moduli, the surface Young’s and shear moduli, and Poisson’s ratio. To this end a three-dimensional finite element models of single-walled boron nitride, boron phosphide, boron arsenide and boron antimonide nanotubes were built and their elastic properties were evaluated using the nanoscale continuum modelling approach (also called molecular structural mechanics). Afterwards, the numerical results obtained were used to access fitting parameters which allow analytical calculation of the nanotube’s elastic properties as a function of nanotube’s diameter without the need of the numerical simulation. The elastic properties (rigidities, Young´s and shear moduli, and Poisson´s ratio) of boron – 15th group nanotubes are discussed with respect to the bond length of the corresponding diatomic hexagonal lattice. The results obtained contribute to a better understanding of the mechanical response of boron compound-based nanotubes.

O objetivo deste trabalho é realizar um estudo de simulação numérica sobre nanotubos e “nanosheets” de boro – Elemento do 15º grupo da tabela periódica (nitrogénio, fosforo, arsénio e antimónio) e avaliar as respetivas propriedades elasticas, tais como rigidezes à tração, flexão e torção, módulos de Young e de corte, módulos de Young e de corte de superfície e coeficiente de Poisson. Para este efeito, foram construídos modelos de elementos finitos tridimensionais de nitreto de boro, fosforeto de boro, arsenieto de boro e antimonieto de boro e as suas propriedades elásticas foram avaliadas utilizando a abordagem de “nanoscale continuum modelling” (também designada por “molecular structural mechanics”). Posteriormente, os resultados numéricos obtidos foram utilizados para obter parâmetros de ajuste que permitem o cálculo analítico das propriedades elásticas do nanotubo em função do seu diâmetro, sem a necessidade de simulação numérica. As propriedades elásticas (rigidezes, módulos de Young e de cisalhamento, e coeficiente de Poisson) dos nanotubos de boro - Elemento do 15º grupo da tabela periódica são discutidas em função do comprimento de ligação da correspondente matriz hexagonal diatómica. Os resultados obtidos contribuem para uma melhor compreensão da resposta mecânica dos nanotubos à base de compostos de boro.