Uhlíkové nanorúrky patria medzi najľahšie známe materiály, s hustotou iba 1,3-2,1 g/cm³, oveľa nižšou ako má oceľ (7,9 g/cm³) a hliník (2,7 g/cm³). To znamená, že pri rovnakom objeme je hmotnosť uhlíkových nanorúrok len 1/6 hmotnosti ocele a 1/2 hmotnosti hliníka. Ešte úžasnejšie je, že hoci uhlíkové nanorúrky sú ľahšie ako hliník, ich pevnosť v ťahu je 100-krát väčšia ako pevnosť ocele -, čo je kombinácia „ľahkej, no napriek tomu pevnej“, ktorá je v prírode extrémne vzácna. Kompozity z uhlíkových nanorúrok už dosiahli 40% zníženie hmotnosti a 20-25% zlepšenie palivovej účinnosti v leteckom a automobilovom priemysle. Shandong Tanfeng New Material podporuje industrializáciu tohto super-materiálu „ľahkého ako pierko, silného ako oceľ“.
1. Ako ľahké sú uhlíkové nanorúrky? Sada čísel vám povie
Záver:Hustota uhlíkových nanorúrok je približne 1,3-2,1 g/cm³, čo je ľahšia ako hliník a iba 1/6 hustoty ocele.
Najprv sa pozrime na tvrdé dáta. Podľa akademickej literatúry z laboratória Ministerstva energetiky USA je typická hustota kompozitov uhlíkových nanorúrok (CNT) 1,3 g/cm³. Údaje o domácich produktoch tiež potvrdzujú túto rádovú hodnotu -, skutočná hustota niektorých komerčných produktov je približne 2 g/cm³, pričom hustota po strasení je len 0,18 g/cm³. Aby sme to zhrnuli, zdanlivá hustota prášku uhlíkových nanorúrok spadá zhruba do rozsahu 1,3-2,1 g/cm³.
Čo znamená táto „ľahkosť“? Porovnajme to s-výkonnými kovmi, ktoré poznáme v každodennom živote:
| Materiál | Hustota (g/cm³) | Uhlíkové nanorúrky vs. tento materiál |
|---|---|---|
| Materiál uhlíkových nanotrubíc | 1.3-2.1 | --Východisko-- |
| Hliník (zliatina hliníka) | 2.7 | CNT sú približne o 30 % až 50 % ľahšie |
| Titán (zliatina titánu) | 4.5 | CNT sú približne o 56 % až 71 % ľahšie |
| Oceľ | 7.9 | CNT sú približne o 70 % až 80 % ľahšie, tj pri rovnakom objeme je hmotnosť CNT iba 1/6 až 1/4 hmotnosti ocele |
Aby som uviedol intuitívny príklad: obyčajný náboj kolesa automobilu, ak je vyrobený z kompozitného materiálu uhlíkových nanorúrok, môže zaznamenať pokles hmotnosti z viac ako 20 jin (asi 10 kg) na 5-6 jin (asi 2,5-3 kg). Ľahko by ste ho mohli zdvihnúť jednou rukou.
2. Prečo sú uhlíkové nanorúrky také ľahké? Tajomstvo spočíva v ich „nanoobraze“
Záver:Ultra{0}}ľahká charakteristika uhlíkových nanorúriek pochádza z ich jedinečnej mikroštruktúry - atómov uhlíka, ktoré sú usporiadané do šesťuholníkového voštinového vzoru, ktorý tvorí kruh, ktorý vytvára dutú „nanorúrku“, pričom vnútro je takmer úplne prázdne.
Uhlíková nanorúrka je v podstate „rúrka“ a trubica v nanoúrovni.
Jeho mikroštruktúra je nasledovná: atómy uhlíka sú navzájom spojené prostredníctvom kovalentných väzieb, čím sa vytvorí stabilný šesť{0}}členný kruhový grafénový list, ktorý sa potom „zvinie“ do valca. Tento valec je dutý - vo vnútri nie sú žiadne atómy, iba vzduch alebo vákuum. Valcovaním jednej vrstvy vznikne jednostenná uhlíková nanorúrka (SWCNT); valcovaním viacerých vrstiev sa vytvorí mnohostenná uhlíková nanorúrka (MWCNT) s medzivrstvovou vzdialenosťou približne 0,34 nm.
Kľúč na meranie hmotnosti materiálu: Hustota=Hmotnosť / objem
Kovy sú plné atómov, nahusto zbalené, takže sú ťažké. Plášť uhlíkovej nanorúrky sa skladá z atómov uhlíka (atómy uhlíka sú oveľa ľahšie ako atómy železa alebo hliníka), vnútro je prázdne a plášť je extrémne tenký -, takže na jednotku objemu obsahuje veľmi málo materiálu, takže je prirodzene ľahký.
Použitie analógie v kuchyni:Kovová špachtľa je pevná a ťažká; dutá slamka na pitie je ľahká, pretože má na povrchu len tenkú stenu. Uhlíková nanorúrka je molekulárna verzia „dutej slamky na pitie“.
3. Skutočne úžasná vec nie je „ľahkosť“, ale kombinácia „ľahkého a predsa silného“
Záver:Špecifická sila uhlíkových nanorúriek dosahuje až 500 MPa·cm³/g, čím ďaleko prevyšuje špecifickú pevnosť tradičných kovov, ako je oceľ, hliník a titán, čím je jednou z najvyšších spomedzi známych technických materiálov.
Ak by to bolo len „ľahké“, nebol by to špeciálny - penový plast je tiež veľmi ľahký, ale ľahko sa rozdrví. Uhlíkové nanorúrky skutočne prekvapujú tým, že hoci sú ľahké ako vzduch, sú aj neuveriteľne pevné.
Ako sme podrobne analyzovali v predchádzajúcom článku: pevnosť v ťahu uhlíkových nanorúriek môže dosiahnuť 50-200 GPa, čo je 100-násobok pevnosti ocele. Keď sa tieto údaje vynásobia dimenziou „ľahkosti“, dostaneme metriku, ktorá inžinierov privádza do šialenstva – špecifickú silu (sila ÷ hustota).
Pozrite sa na tento súbor porovnávacích údajov:
| Materiál | Hustota (g/cm³) | Pevnosť v ťahu (MPa) | Špecifická pevnosť (MPa·cm³/g) |
|---|---|---|---|
| Kompozit z uhlíkových nanotrubíc | 1.3 | ~650 | 500 |
| Hliník (7075-T6) | 2.7 | 572 | 212 |
| titán (Ti-6Al-4V) | 4.5 | 950 | 211 |
| Oceľ (A36) | 7.9 | 400 | 51 |
Čím vyššia je špecifická pevnosť, tým väčšia je nosnosť-pre danú hmotnosť. Špecifická sila uhlíkových nanorúrok (500) je takmer 10-krát väčšia ako pevnosť ocele (51) - lano vyrobené z uhlíkových nanorúriek rovnakej hmotnosti unesie takmer 10-krát väčšie zaťaženie ako lano z oceľového drôtu.
To je dôvod, prečo vedci uvažujú o použití uhlíkových nanorúrok na stavbu vesmírneho výťahu -, pretože iba materiál, ktorý je „ľahký ako pierko, pevný ako oceľ“, by mohol vytvoriť kábel tiahnuci sa zo Zeme do vesmíru.
4. Priemyselná revolúcia, ktorú priniesla „ľahkosť“: 40 % zníženie hmotnosti, 25 % úspora paliva
Záver:Kompozity z uhlíkových nanorúrok už dosiahli účinky zníženia hmotnosti až o 40 % v leteckom a automobilovom priemysle, čo sa priamo premieta do 20-25 % zlepšenia palivovej účinnosti.
„Ľahkosť“ nie je len hra s číslami; citeľne mení priemyselnú krajinu.
Vyplýva to z prehľadového článku v medzinárodnom akademickom časopiseMateriálová veda a inžinierstvo: R, kompozity z uhlíkových nanorúriek preukázali veľký potenciál v leteckom a automobilovom priemysle: hmotnosť konštrukčných komponentov sa dá znížiť až o 40 %, pričom sa zachovajú alebo dokonca vylepšia mechanické vlastnosti.
Pozrime sa na skutočné-príklady aplikácií:
| Prípad aplikácie | Úloha kompozitu uhlíkových nanotrubíc | Skutočný účinok |
|---|---|---|
| Boeing 787 Dreamliner | Konštrukčné prvky trupu | 20-25% zlepšenie palivovej účinnosti |
| Elektrické vozidlo BMW i3 | Panely karosérie | 30% zníženie hmotnosti |
| Motor z uhlíkových nanotrubíc KIST (Kórea) | Cievky vinutia motora | Približne 25% zníženie hmotnosti motora |
Za zmienku stojí najmä prípad Boeingu 787. Tento „Dreamliner“ vo veľkej miere využíva pokročilé kompozitné materiály (vrátane materiálov vystužených uhlíkovými nanorúrkami-), čím nielenže dosahuje výrazné zníženie hmotnosti, ale umožňuje aj tomuto veľkému dopravnému lietadlu ušetriť viac ako 20 % paliva v porovnaní s podobnými modelmi. Kórejský inštitút pre vedu a technológiu (KIST) dokonca zašiel ešte o krok ďalej a priamo zostrojil motor bez akýchkoľvek kovových cievok - nahradením medeného drôtu drôtom z uhlíkových nanorúrok, čo viedlo k hmotnosti motora iba jednej-pätiny medeného motora.
Pre lietadlo:Úspora paliva=letí ďalej + nižšie ceny lístkov + znížené emisie uhlíka.
Pre elektrické vozidlo:Zníženie hmotnosti o=dlhší dojazd + rýchlejšie zrýchlenie + menšia batéria.
Ľahkosť je zlato; ľahkosť je súťaživosť.
5. Nový materiál Shandong Tanfeng: Premena „ľahkosti“ na kupovateľné produkty
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. masovo-produkuje a vyrába „ultra-ľahké“ vlastnosti uhlíkových nanorúriek, ktoré slúžia špičkovým-výrobným odvetviam, ako je letecký priemysel a nové energetické vozidlá.
Premena uhlíkových nanorúriek zo „zázračného materiálu“ v laboratóriu na priemyselnú surovinu, ktorú si inžinieri môžu objednať, si vyžaduje spoločnosti, ktoré skutočne ovládajú technológiu-výroby vo veľkom meradle.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. je presne takouto spoločnosťou.
čo to robí?
Spoločnosť sa zameriava na výskum a vývoj a výrobu mnohostenných uhlíkových nanorúrok (MWCNT), jednostenných uhlíkových nanorúriek (SWCNT), funkcionalizovaných uhlíkových nanorúriek, vodivých pást a vopred-dispergovaných produktov. Čistota produktu je väčšia alebo rovná 97,5 %, zvyškové nečistoty katalyzátorov Fe, Co a Ni sú menšie alebo rovné 0,5 ppm, distribúcia priemeru rúrky je úzka a konzistencia vsádzky-k-vsádzke je CV<5%.
Jeho kľúčové kompetencie:
| Výhodný rozmer | Špecifický obsah |
|---|---|
| Základný proces | výroba v plynnej-fáze (CVD); priemer trubice regulovateľný, šarže stabilné |
| Produktová matica | Úplné pokrytie jednoplášťových/viacstenných{1} stien; prispôsobiteľná funkcionalizácia (-COOH, -OH atď.) |
| Pokyny pre aplikáciu | Sedem hlavných oblastí vrátane nových energetických vozidiel, letectva, železničnej dopravy, veternej energie, skladovania vodíkovej energie |
| Jedinečná schopnosť | Celý reťazec nezávisle ovládateľný od katalyzátora až po konečný produkt |
| Overené výsledky | Poskytuje vodivú pastu popredným domácim podnikom s napájacími batériami, pričom už dosahuje 30% zníženie odporu elektródového listu |
Spoločnosť Tanfeng New Material tiež poskytuje európskym dodávateľom automobilových dielov viacvrstvové viacvrstvové uhlíkové nanorúrky s nosičom PA12, ktoré spĺňajú prísne anti{2}}statické požiadavky na palivové potrubia. Keď spoločnosti ako BMW a Boeing potrebujú vysokovýkonné-ľahké materiály, uhlíkové nanorúrky sa premieňajú zo vzdialeného laboratórneho konceptu na hmatateľné produkty na pultoch čínskych spoločností, ako je Tanfeng.
Zhrnutie: Čo znamená „ľahkosť“ uhlíkových nanorúrok?
| Perspektíva | Hlavný záver |
|---|---|
| Údaje | Hustota 1,3-2,1 g/cm³, iba 1/6 hustoty ocele, ľahšia ako hliník |
| Princíp | Štruktúra „dutej nano-rúrky“, tenkostenné-duté vnútro, prirodzene ľahké |
| Výkon | Špecifická pevnosť 500 MPa·cm³/g, takmer 10-krát väčšia ako u ocele, ľahká, ale pevná |
| priemysel | Dosahuje 40 % zníženie hmotnosti a 25 % úsporu paliva; už overené na Boeingu 787 a BMW i3 |
| Realita | Spoločnosti ako Shandong Tanfeng New Material ho hromadne-vyrábajú na priemyselné použitie |
„Ľahkosť“ uhlíkových nanorúrok nikdy nebola len jednoduchým číslom s nízkou{0}hustotou. Ide o prenášanie najväčšieho nákladu s najmenšou hmotnosťou, dosahovanie najsilnejšieho výkonu s najmenším množstvom materiálu a vytváranie najvyššej účinnosti s najľahšími komponentmi.
Keď Shandong Tanfeng New Material nepretržite „vyfukuje“ tento čierny prášok zo svojej továrne - prášok, ktorý je ľahší ako vzduch (v stave napichnutia), no pevnejší ako oceľ -, signalizuje to, že „éra ľahkého“ sveta materiálov skutočne nastala.