Ogljikove nanocevke in diamanti imajo primerljivo trdoto, vendar se njihove definicije "trde" razlikujejo. Glede na trdoto prask (trdota po Mohsu) je diamant 10, kar je najvišje med naravnimi minerali. Ogljikove nanocevke nimajo standardne Mohsove trdote, vendar je njihova sposobnost praskanja primerljiva z diamantno. Glede na Vickersovo trdoto (odpornost na vdolbino) je diamant 7140-15300 HV, medtem ko imajo ogljikove nanocevke približno 1000-2000 HV. Vendar so raziskave sintetizirale tridimenzionalne kovalentno vezane ogljikove nanocevke s trdoto po Vickersu 82,8 GPa. Kar zadeva žilavost, so ogljikove nanocevke 100-krat močnejše od jekla in jih je mogoče raztegniti. Diamanti so, čeprav trdi, zelo krhki in jih lahko razbije kladivo.Zaključek:Pri trdoti na praske je diamant ≈ ogljikova nanocevka; pri udarni žilavosti ogljikova nanocevka popolnoma prekaša diamant.
1. Najprej razumejte "trdoto": Pomeni različne stvari
Zaključek:V vsakdanjem življenju ima beseda "trdo" dejansko dva pomena - trdota na praske (odpornost proti obrabi) in odpornost na udarce. Diamond zmaga le prvo, izgubi pa drugo.
Preden primerjamo ogljikove nanocevke in diamante, je treba pojasniti: kaj pravzaprav pomeni »trdota«?
Mnogi ljudje zmotno verjamejo, da visoka trdota pomeni, da "se ne more zlomiti s kladivom." To je napačno prepričanje.
Strokovno trdoto delimo predvsem na dve vrsti:
| Vrsta trdote | Metoda merjenja | Skupna razlaga | Reprezentativno gradivo |
|---|---|---|---|
| Trdota prask (trdota po Mohsu) | Popraskajte minerale enega ob drugega, da vidite, kateri pušča sledi | "Odpornost proti obrabi" | Diamant, razred 10 (najvišji) |
| Vickersova trdota (trdota vdolbine) | Pritisnite diamantno vdolbino v površino materiala | "Odpornost na deformacijo pod pritiskom" | Diamant 7140-15300 HV |
| Udarna žilavost | Udar s kladivom, test padca | "Odpornost na udarce" | Diamant je zelo krhek in se zlahka razbije |
Diamant:Mohsova trdota 10, najvišja med naravnimi minerali. Vendar pa ima "oktaedrično razcepitev" -, ko je sila uporabljena v določeni smeri, lahko že majhna količina povzroči, da se razcepi. Če diamant udarite s kladivom, ga boste razbili v prah. To ni zato, ker je njegova trdota nezadostna, ampak zato, ker je njegova krhkost visoka.
Ogljikove nanocevke:Sestavljen iz atomov ogljika, povezanih s kovalentnimi vezmi C=C, ki so ene najstabilnejših kemičnih vezi v naravi. Njihova Mohsova trdota nima standardne vrednosti, vendar je njihova sposobnost praskanja "primerljiva" z diamantno. Ključna točka je, da imajo ogljikove nanocevke tudi "dobro prožnost in jih je mogoče raztegniti."
Če uporabimo analogijo:Diamant je kot kos stekla - površina je izjemno trda in odporna-na obrabo, vendar se razbije, ko pade na tla. Ogljikove nanocevke so kot jeklena žica - lahko tudi opraskajo steklo, lahko pa so tudi upognjene, raztegnjene in so nezlomljive.
2. Naj podatki govorijo: ogljikove nanocevke proti diamantom - Kateri je močnejši?
Zaključek:Kar zadeva natezno trdnost in specifično trdnost (trdnost ÷ gostota), so ogljikove nanocevke »super vlakno«, ki mu diamant ni kos. Po Vickersovi trdoti naravne ogljikove nanocevke niso tako trde kot diamant, vendar so se ji umetno sintetizirane različice približale ali celo presegle.
Poglejmo neposredno primerjavo podatkov:
| Merilo uspešnosti | Diamant | Ogljikove nanocevke (CNT) |
|---|---|---|
| Mohsova trdota | 10 (najvišji med naravnimi minerali) | "Primerljivo" z diamantom |
| Vickersova trdota (HV) | 7140-15300 Hv | Približno 1000-2000 Hv (za eno cev) |
| Natezna trdnost | ~2-3 GPa (nižje z napakami) | 50-200 GPa |
| Modul elastičnosti | ~1,0-1,2 TPa | 1-5 TPa |
| Gostota | 3,5 g/cm³ | 1,3-2,0 g/cm³ |
| Specifična trdnost (trdnost/gostota) | ~0,6-0,9 GPa·cm³/g | 25-100 GPa·cm³/g (100-kratnik jekla) |
| Prilagodljivost | Izjemno krhka, ima cepne ravnine | Lahko se raztegne in upogne |
| Odpornost na udarce | Lahko se razbije s kladivom | Ultra{0}}visoka žilavost, lahko se uporablja v neprebojnih jopičih |
Več teh podatkovnih točk je vredno natančno preučiti:
1. Natezna trdnost: ogljikove nanocevke popolnoma zmagajo
Natezna trdnost ogljikovih nanocevk je 50-200 GPa. Čeprav je diamant trd, ni dober pri "upiranju napetosti". Če uporabimo analogijo: diamant je kot steklena opeka – ni ga mogoče zdrobiti, vendar se zlahka zlomi, ko ga potegnete.
2. Modul elastičnosti: Ogljikove nanocevke nekoliko boljše
Elastični modul meri "sposobnost upreti se deformaciji." Diamant je približno 1,0-1,2 TPa. Teoretična vrednost za ogljikove nanocevke lahko doseže 5 TPa, izmerjene vrednosti pa so običajno v območju 1–1,8 TPa. V smislu "togosti" sta približno enakovredna, pri čemer imajo ogljikove nanocevke celo rahel rob.
3. Specifična moč: Ogljikove nanocevke prevladujejo nad vsem
Specifična trdnost=trdnost ÷ gostota, ki meri "koliko vlečne sile lahko prenese enota teže." Specifična trdnost ogljikovih nanocevk je 100-krat večja od jekla in doseže 25-100 GPa·cm³/g. To pomeni: če bi naredili vrv iz ogljikovih nanocevk, bi bila 100-krat močnejša od jeklene vrvi enake teže. To je tudi razlog, zakaj je znanstvenofantastični roman "Problem treh teles" uporabil "nano leteča rezila" za prerez velikanskih ladij in zakaj znanstveniki predvidevajo uporabo ogljikovih nanocevk za izgradnjo "vesoljskega dvigala".
4. Ultra{1}}trde ogljikove nanocevke: nov znanstveni preboj
Študija iz leta 2022 je s teoretičnimi izračuni oblikovala tri{1}}dimenzionalno kovalentno vezano ogljikovo nanocevko. Njegova Vickersova trdota je dosegla 82,8 GPa, kar je primerljivo s kubičnim borovim nitridom. Druga študija istega leta je napovedala dva metastabilna ultra-trda polimera ogljikovih nanocevk s trdoto po Vickersu 40,4 GPa oziroma 37,1 GPa.
Ti podatki kažejo, da ogljikove nanocevke ne morejo le premagati diamanta v smislu žilavosti, ampak jim znanstveniki omogočajo tudi, da presežejo diamant v indikatorju "trdote".
3. Ali je "Nano Flying Blade" resnično? Kako močne so ogljikove nanocevke?
Zaključek:»Nano leteče rezilo« iz »The Three-Body Problem«, ki prereže velikanske ladje, temelji na ogljikovih nanocevkah. V resnici je teoretična trdnost ogljikovih nanocevk res zadostna, da "prerežejo kovino kot blato".
V znanstvenofantastičnem romanu »The Three-Body Problem« lahko »nano leteče rezilo«, ki je samo-debelina človeškega lasu, razreže velikansko ladjo, kot je tofu. Ta koncept ni bil ustvarjen iz nič - njegov prototip je ogljikova nanocevka.
Kaj lahko ogljikove nanocevke v resnici dosežejo?
100-krat močnejši od jekla:Snop ogljikovih nanocevk, tanjših od človeškega lasu, bi teoretično lahko dvignil avto.
Močnejši od vseh vlaken:Ogljikove nanocevke so veliko boljše od vseh znanih vlaken tako po trdnosti kot po žilavosti.
Vesoljsko dvigalo niso sanje:Znanstveniki menijo, da so ogljikove nanocevke najboljši kandidatni material za izdelavo kabla za "vesoljsko dvigalo".
Seveda je trenutno tehnično ozko grlo v tem, kako posnemati izjemno zmogljivost posamezne ogljikove nanocevke v makroskopskem materialu. To je težka težava, ki jo znanstveniki po vsem svetu poskušajo premagati.
4. Kako Tanfeng New Material proizvaja ta "super material"
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. pretvarja odlične mehanske lastnosti ogljikovih nanocevk v izdelke, ki jih je mogoče -proizvajati v množičnem obsegu, s čimer "super material" prinaša iz laboratorija.
Teorija je eno, toda za resnično uporabo »velesmoči« ogljikovih nanocevk v dejanskih izdelkih so potrebna podjetja, ki obvladajo proizvodno-tehnologijo velikega obsega.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. je točno takšno podjetje.
Kaj počne?Podjetje se osredotoča na raziskave in razvoj ter proizvodnjo prahu ogljikovih nanocevk, prevodne paste in silicijevih-ogljikovih anodnih materialov. Njegovi izdelki pokrivajo celotno paleto eno-stenskih ogljikovih nanocevk in več-stenskih ogljikovih nanocevk.
Kakšna je njegova tehnična zmogljivost?
Ima več kot deset aktivnih patentov, povezanih z ogljikovimi nanocevkami.
Obvlada različne postopke priprave, vključno z obločno razelektritvijo, lasersko ablacijo in kemičnim naparjevanjem (CVD).
Čistost izdelka Večja ali enaka 98 %; velikost delcev prahu lahko doseže 5-15 μm.
Mesečna proizvodnja doseže 200 ton, že v masovni proizvodnji.
Kje uporablja mehanske lastnosti ogljikovih nanocevk?Teoretični Youngov modul izdelkov Tanfeng iz ogljikovih nanocevk lahko doseže 5 TPa, z trdnostjo približno 100-krat večjo od jekla in gostoto le 1/6 gostote jekla. Te odlične mehanske lastnosti se uporabljajo na naslednjih področjih:
| Polje uporabe | Posebna uporaba | Vloga ogljikovih nanocevk |
|---|---|---|
| Aerospace | Strukturne komponente trupa in kril | Ultra-visoka trdnost + ultra-lahka teža |
| Železniški tranzit | Lahki materiali za karoserije vlakov | Zmanjša težo, hkrati pa ohranja moč |
| Vetrna moč | Velikanska rezila | Odpornost proti utrujenosti, dolga življenjska doba |
| Napredni polimerni materiali | Visoko{0}}zmogljivi kompoziti | Izboljša mehanske lastnosti |
| Elastomeri | Visoko{0}}odporni-izdelki iz gume | Izboljša trdnost in odpornost proti obrabi |
Podjetje tesno sledi nacionalni razvojni strategiji za novo energijo in nove materiale, s svojim poslovnim obsegom, ki se širi po vsej državi, in si prizadeva postati "napreden ponudnik materialov in ponudnik tehničnih storitev".
Eno-stavčni povzetek:Medtem ko znanstveniki v laboratorijih dokazujejo, da so ogljikove nanocevke "super vlakna", jih podjetja, kot je Tanfeng New Material, spreminjajo v izdelke, ki jih lahko kupite.
Zaključek: kaj je težje? Odgovor je odvisen od tega, kako definirate "težko"
| Če sprašujete o... | Odgovor je ... |
|---|---|
| Katera je bolj{0}}odporna na obrabo (trdota na praske) | Diamant ≈ Ogljikove nanocevke (primerljivo); diamant je najvišji med naravnimi minerali |
| Katera je bolj odporna na stiskanje (trdota po Vickersu) | Diamant je višji, a ultra{0}}trde ogljikove nanocevke so se mu približale ali celo presegle |
| Katera je bolj odporna na napetost (natezna trdnost) | Ogljikova nanocevka popolnoma zmaga, več desetkrat močnejša od diamanta |
| Katera je bolj odporna na udarce (žilavost) | Ogljikove nanocevke popolnoma zmagajo; diamant se razbije s kladivom |
| Kateri je na splošno močnejši (celovita zmogljivost) | Ogljikove nanocevke - trde, močne, žilave in lahke |
Končni sklep je:
V tradicionalnem pomenu "odpornosti proti obrabi" imajo diamantne in ogljikove nanocevke vsaka svoje prednosti. Toda v smislu "celovitih mehanskih lastnosti" -, zlasti natezne trdnosti, žilavosti in specifične trdnosti -, so ogljikove nanocevke nesporni kralji.
Diamant je "najtrši naravni mineral na Zemlji", toda ogljikove nanocevke so "najmočnejše vlakno, ki so ga izdelali ljudje".
Kot je dejal neki znanstvenik za materiale: "Diamond je kralj preteklosti; ogljikove nanocevke so temelj prihodnosti."
In ker ta prihodnji material masovno-proizvaja Shandong Tanfeng, lahko rečemo: nastopilo je obdobje ogljikovih nanocevk.