物理模型：模拟BCNTS橡胶拉伸下的透过率和偏振度变化

为了模拟BCNTS m/橡胶在拉伸过程中透过率和偏振度的变化,有必要建立一个物理模型。由于BCNTS m/橡胶在拉伸程度较小时存在较大的褶皱,使得样品中CNT不再是严格地按拉伸方向有序地排列,这里采用图5.40(a)所示的等效光栅模型来模拟CNT在拉伸过程中的偏振选择特性。CNT被等效为一个二维光栅,竖直方向上的光栅周期用b来表示,水平方向上的光栅周期用a来表示。其中水平方向上的光栅表示CNT的褶皱和缺陷。此外,c代表统计意义上的光栅宽度,它在拉伸过程中保持不变。

我们利用CST软件对等效光栅模型进行了仿真计算,这里将CNT定义为导电材料,电导率设置为5×105 S/m。橡胶基底的介电常数为3.09,是通过THz-TDS精确测量得到的。在CST中,在非传输方向上设置了两对周期性边界,因此只需要对单元结构进行模拟仿真。通过合理设置光栅模型中a、b的大小,就可以模拟出BCNTS m/橡胶在BCNTS∥THz和BCNTS⊥THz情况下的透过率。图5.40(d)所示为BCNTS20/橡胶在BCNTS∥THz和BCNTS⊥THz时不同拉伸程度下振幅透射光谱的模拟结果,当拉伸程度为0%时,BCNTS20/橡胶在BCNTS∥THz和BCNTS⊥THz时的透过率相当,均接近50%;当拉伸程度增至150%时,BCNTS20/橡胶在BCNTS⊥THz时的透过率大于70%,在BCNTS∥THz时的透过率小于20%。通过对比图5.37(a),可以发现模拟的不同拉伸情况下的振幅透射光谱与实验结果吻合较好。

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图5.40　

(a)BCNTS m/橡胶等效光栅模型,黄色和灰色分别表示橡胶基底和CNT光栅;(b)等效光栅单元结构的长宽a和b随拉伸程度的变化;(c)b/a随拉伸程度的变化;(d)BCNTS20/橡胶在BCNTS∥THz和BCNTS⊥THz时不同拉伸程度下振幅透射光谱的模拟结果[14]

图5.40(b)记录了仿真过程中参数a、b随拉伸程度的变化曲线。BCNTS m/橡胶从0%到150%拉伸时,c保持恒定,a减小,b增大,这与图5.37(b)的实际情况一致。参数b/a表示BCNTS m/橡胶的几何不对称性,随着拉伸从0%增加到150%,这一比值从2增加到20,如图5.40(c)所示。这说明在拉伸过程中,BCNTS m/橡胶的性质由近似各向同性向各向异性转变,同时也解释了THz波振幅和偏振的调制行为是由BCNTS m/橡胶拉伸过程中CNT的结构变化引起的。依据这一模型,还可以得到60层CNT的模拟结果,其中a、b、c的具体数值可能会变化,但b/a的变化趋势保持不变,此外,当CNT层数增加时,150%拉伸程度下CNT的消光比会变大,因此BCNTS m/橡胶的各向异性会进一步增强,所以b/a的比值也会变大。总之,利用光栅模型并通过合理地选择光栅参数和CNT的电导率,便可以模拟出实际的透过率曲线。