Čo je „tvrdšie“, uhlíkové nanorúrky (CNT) alebo diamant? Odpoveď závisí od toho, či na ňu vyvíjate tlak. Pokiaľ ide o tvrdosť podľa Mohsa, tieto dva sú porovnateľné - tvrdosť uhlíkových nanorúrok je porovnateľná s tvrdosťou diamantu. Pokiaľ ide o tvrdosť podľa Vickersa, uhlíkové nanorúrky v prirodzenom stave (185,1 HV) sú oveľa nižšie ako diamant (rádovo 10 000 HV). Keď sú uhlíkové nanorúrky stlačené za studena, nastáva zázrak: dokážu vytvoriť ultratvrdú fázu s objemovým modulom 447 GPa, pričom hodnota tvrdosti prudko stúpa z pôvodných 185,1 HV na 241 GPa (24 100 HV), čo je 4-násobok tvrdosti surového diamantu (približne 60 GPa). To znamená: za normálnych podmienok je diamant tvrdší; po vysokotlakovom spracovaní{15} môžu uhlíkové nanorúrky prekonať diamant a stať sa „kráľom ultratvrdých materiálov“. Nový materiál Shandong Tanfeng poskytuje vysoko{17}}viacstenné/jednostenné{19} uhlíkové nanorúrky s vysokou čistotou, ktoré slúžia ako ideálna surovina pre takýto vysokovýkonný výskum.
1. Najprv definujte štandard: dva typy „tvrdosti“, dve odpovede
Záver:Čo je „tvrdšie“, uhlíkové nanorúrky alebo diamant? Závisí to od toho, aký typ tvrdosti meriate. -Tvrdosť podľa Mohsa, tvrdosť podľa Vickersa a modul objemu po ultra-vysokotlakovej fázovej transformácii poskytujú úplne odlišné odpovede.
Pojem „tvrdosť“ v materiálovej vede má najmenej tri významy. Rôzne metódy merania a rôzne podmienky poskytujú úplne odlišné závery:
| Typ tvrdosti | Metóda merania | Typická hodnota diamantu | Typická hodnota uhlíkových nanorúrok |
|---|---|---|---|
| Tvrdosť podľa Mohsa | Škrabať minerály o seba | 10 (najvyššia) | Porovnateľné s diamantom |
| Tvrdosť podľa Vickersa (normálny stav) | Vtláčanie diamantového indentora | Rádovo 10 000 HV (približne 100 GPa) | 185,1 HV (kompozitný materiál) |
| Tvrdosť podľa Vickersa (vysoko{0}}tlaková fáza) | Merané po stlačení za studena | Približne 100-150 GPa | 241 GPa (zväzky diamantov získaných nanotáciou vyrobené z CNT) |
| Hromadný modul | Odolnosť voči kompresii | Približne 440-442 GPa | Fáza lisovaná za studena 447 GPa |
Kľúčový rozdiel je:Nameraná hodnota tvrdosti uhlíkových nanorúrok v ich prirodzenom stave je relatívne nízka (najmä v kompozitoch), no akonáhle sú vystavené extrémnemu stlačeniu, premenia sa na ultratvrdú fázu, ktorá je tvrdšia ako diamant.
Poznámka: Tvrdosť kompozitného materiálu uhlíkových nanorúrok (ako je hliníková zliatina CNT/2024) podľa Vickersa je približne 185 HV. Táto hodnota odráža celkovú tvrdosť kompozitu, nie tvrdosť samotných uhlíkových nanorúrok. Výskum tvrdosti jednotlivých uhlíkových nanorúrok sa vykonáva najmä v oblasti ultra-vysokotlakovej fázovej transformácie.
2. Zúčtovanie v normálnom stave: Mohsova nerozhodnosť tvrdosti, Vickersova tvrdosť Diamond víťazí
Záver:Za „normálnych“ podmienok (normálny tlak, izbová teplota), s ktorými sa stretávame v každodennom živote, je diamant absolútnym kráľom tvrdosti. Tvrdosť uhlíkových nanorúrok závisí hlavne od kompozitnej matrice.
2.1 Tvrdosť podľa Mohsa: krk a krk
Z pohľadu „vzájomného poškriabania“ je tvrdosť uhlíkových nanorúrok „porovnateľná“ s tvrdosťou diamantu.
Uhlíkové nanorúrky sa skladajú z atómov uhlíka spojených sp² kovalentnými väzbami, ktoré tvoria šesť-člennú kruhovú štruktúru, zatiaľ čo diamant pozostáva z trojrozmernej štruktúry sp³ kovalentných väzieb. Obe sú uhlíkovými-uhlíkovými väzbami- jednou z najstabilnejších chemických väzieb v prírode. Preto pri vzájomnom škrabaní nemá ani jeden pred druhým jasnú výhodu.
Laicky povedané:Diamant môže poškriabať sklo a uhlíkové nanorúrky môžu tiež poškriabať sklo - v tejto dimenzii, ktorá je na dvoch miestach.
2.2 Tvrdosť podľa Vickersa: Dominuje diamant
Tvrdosť podľa Vickersa sa meria vtlačením diamantového indentora do povrchu materiálu a meraním hĺbky vtlačenia. V tomto teste sú konvenčné uhlíkové nanorúrky oveľa horšie ako diamant:
| Materiál | Tvrdosť podľa Vickersa |
|---|---|
| Diamantový | Veľkosť približne 100 GPa (10 000 HV) |
| Kompozit z uhlíkovej nanotrubice/zliatiny hliníka | Maximálne približne 185,1 HV po tuhom roztoku + ošetrení starnutím |
Rozdiel je asi 50-násobný.
Ale tu je kľúčový bod: 185 HV meria "uhlíkové nanorúrky + hliníková zliatina" celý - výskum, ktorý skutočne odráža tvrdosť samotných uhlíkových nanorúrok, sa vykonáva pomocou iného "ultra-vysokotlakového" systému v laboratóriu.
3. Moment „transformácie“: Aplikujte tlak na uhlíkové nanorúrky, stanú sa tvrdšími ako diamant
Záver:Keď sú uhlíkové nanorúrky stlačené za studena na približne 75 GPa (750 000 atmosfér), transformujú sa na novú ultratvrdú uhlíkovú fázu s objemovým modulom prevyšujúcim modul diamantu.
Toto je skutočný „tromf“ uhlíkových nanorúrok.
3.1 Experiment s kompresiou za studena: 75 GPa spúšťa fázový prechod
V roku 2004 tím vedený Zhongwu Wangom z University of Arizona publikoval prelomovú štúdiu v r.PNAS. Umiestnili mnohostenné uhlíkové nanorúrky do diamantovej nákovovej bunky a natlakovali ich na približne 100 GPa (asi 1 milión atmosfér). Zistili, že pri asi 75 GPa sa uhlíkové nanorúrky transformovali na úplne novú šesťuholníkovú uhlíkovú fázu.
Kľúčové údaje:
| Parameter | Hodnota |
|---|---|
| Hromadný modul | 447 GPa (s pevným K′=4), čím presahuje hodnotu diamantu približne 440 – 442 GPa |
| Hustota | 3,6±0,2 g/cm³, porovnateľné s diamantom |
| Obnoviteľnosť | Táto fáza sa po uvoľnení tlaku udržala v okolitom prostredí |
Objemový modul je indikátorom „odolnosti materiálu voči stlačeniu“ - čím vyšší je objemový modul, tým ťažšie je materiál stlačiť pod tlakom. Fáza vysokého-tlaku uhlíkových nanorúriek v tomto ukazovateli prevyšuje diamant.
3.2 Nanotwinned Diamond Bundles: Rekord-Prekonanie 241 GPa
V roku 2021 tím pod vedením profesora Zhao Zhisheng a profesora Xu Bo z Yanshanskej univerzity publikoval výskum v r.PNAS. Použitím vysoko orientovaných viac{1}}vrstvových uhlíkových nanorúrok ako prekurzorov syntetizovali diamant s prednostne orientovanými zväzkami nanotrubíc prostredníctvom vysoko-vysokotlakovej{3}}teploty (HPHT).
Najúžasnejšie výsledky:
| Parameter | Hodnota |
|---|---|
| Tvrdosť podľa Knoopa | Až 241 GPa, o viac ako 20 % viac ako predchádzajúci svetový rekord |
Čo znamená 241 GPa? Knoopova tvrdosť surového diamantu (prírodného diamantu) je zvyčajne medzi 60-100 GPa. To znamená, že „nanotwinned bundle diamond“ transformovaný z uhlíkových nanorúrok je 2-4 krát tvrdší ako obyčajný diamant.
Experiment tiež zistil, že tento materiál vykazuje významnú mechanickú anizotropiu: tvrdosť sa mení v závislosti od orientácie nanotwinovaných zväzkov, pričom najvyššia tvrdosť sa dosiahne, keď je indentor kolmý na dvojité zväzky.
4. „Teoretický strop“: trojrozmerné-kovalentné uhlíkové nanorúrky
Záver:Teoretické výpočty predpovedajú, že tvrdosť určitých trojrozmerných kovalentných uhlíkových nanorúrových polymérov podľa Vickersa by mohla dosiahnuť viac ako 40 GPa, spadajúc medzi kubický nitrid bóru a diamant.
Vedci okrem experimentálnej syntézy použili prvé-výpočty princípov na predpovedanie ultratvrdých polymérov uhlíkových nanorúrok, ktoré ešte neboli syntetizované.
| Názov štruktúry | Tvrdosť podľa Vickersa | Charakteristika kapely |
|---|---|---|
| CNP-oC36 | 40,4 GPa | Polovodič s nepriamym pásmovým odstupom (1,29 eV) |
| CNP-oC40 | 37,1 GPa | Polovodič s nepriamym pásmovým odstupom (0,67 eV) |
These structures can be considered as three-dimensional covalent crosslinked networks of carbon nanotubes with different chiralities. Their Vickers hardness has already entered the "ultrahard material" range (>40 GPa sa všeobecne považuje za prah pre ultratvrdé materiály).
Hoci sú tieto predpovede zatiaľ stále v teoretickej fáze, naznačujú, že potenciál uhlíkových nanorúriek premeniť sa na trojrozmerné ultratvrdé štruktúry ďaleko presahuje súčasné chápanie.
5. Jeden stôl na pochopenie: Čo je „ťažšie“?
| Skúšobný stav / Stav | Diamantový | Uhlíková nanotrubica | Víťaz |
|---|---|---|---|
| Mohsova tvrdosť (škrabance) | 10 | Porovnateľné s diamantom | Kravata |
| Tvrdosť podľa Vickersa v normálnom stave | ~100 GPa | 185 HV (kompozitný materiál) | Diamantový |
| Objemový modul po studenej kompresii | ~440 GPa | 447 GPa | Uhlíková nanotrubica |
| Vysokotlaková{0}fáza tvrdosť podľa Vickersa | ~100 GPa | 241 GPa | Uhlíková nanotrubica |
Konečná odpoveď:
Za normálnych podmienok:Diamant je „ťažší“. V normálnych testoch tvrdosť diamantu podľa Vickersa ďaleko prevyšuje tvrdosť kompozitných materiálov z uhlíkových nanorúrok.
Pod tlakom:Uhlíkové nanorúrky sú „tvrdšie“. Keď sú uhlíkové nanorúrky stlačené nad 75 GPa, premenia sa na ultratvrdý materiál, ktorý je tvrdší ako diamant -, či už z hľadiska objemového modulu (447 vs 440 GPa) alebo tvrdosti podľa Vickersa (241 vs ~100 GPa), komplexne prekonávajú diamant.
Uhlíkové nanorúrky sú ako „boh vojny“ vo svete materiálov -, ktorý sa za normálnych podmienok javí ako obyčajný, no akonáhle sa ich „tretie oko otvorí“ (vyvinie sa extrémny tlak), ich tvrdosť okamžite prekoná diamant a stane sa „kráľom ultratvrdých materiálov“.
6. Nový materiál Shandong Tanfeng: „Základňa surovín“ priemyslu uhlíkových nanorúrok
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. poskytuje vysoko-čistotu (viac ako alebo rovnajúcu sa 98 %) viac-stenovým/jednostenným-práškom z uhlíkových nanorúriek, ktoré slúžia ako ideálna surovina pre špičkový-výskum, ako sú vysokotlakové{7}}fázové prechody.
Či už ide o rekordný{0}}výskum univerzity Yanshan, ktorý prekonal 241 GPa, alebo výskum 75 GPa fázového prechodu za studena kompresiou uskutočnený Arizonskou univerzitou, východiskovým bodom oboch sú vysoko-kvalitné suroviny z uhlíkových nanorúriek.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. je presne „zdrojová sila“ na tejto ceste od „suroviny k ultratvrdej“.
| Výhodný rozmer | Sila nového materiálu Tanfeng |
|---|---|
| Produktová matica | Celý rad jednostenných/dvojstenných/dvojstenných{1}}stenových/viacstenných{2}}uhlíkových nanorúrok (SWCNT/DWCNT/MWCNT) |
| Čistota produktu | Väčšie alebo rovné 98 %, dobrá konzistencia šarže |
| Prípravné procesy | Oblúkový výboj, laserová ablácia, chemická depozícia z pár (CVD); zvládnutie viacerých procesov |
| Kľúčové parametre | séria TF-210 atď.; veľkosť častíc 5-15 μm |
| Mechanické vlastnosti | Teoretický Youngov modul do 5 TPa; pevnosť 100-krát väčšia ako pevnosť ocele; hmotnosť 1/6 hmotnosti ocele |
| Rozloženie aplikácie | Sedem strategických smerov vrátane nových energetických vozidiel, letectva a železničnej dopravy |
Tím Yanshan University dokázal syntetizovať svetový-rekordný materiál s „Knoopovou tvrdosťou 241 GPa“ s použitím vysoko-kvalitných prekurzorov uhlíkových nanorúrok. Vďaka 20-ročnej akumulácii uhlíkových materiálov v priemysle poskytuje Tanfeng New Material stabilnú a spoľahlivú surovinovú istotu pre takýto špičkový-výskum.
Záver: Čo je ťažšie? Odpoveď - Diamant za normálnych podmienok, uhlíkové nanorúrky pod tlakom
| štátu | Ťažšie | Kľúčové údaje |
|---|---|---|
| Normálny tlak a teplota | Diamantový | Tvrdosť podľa Vickersa približne 100 GPa vs. CNT kompozit 185 HV |
| High Pressure (>75 GPa) | Uhlíkové nanorúrky | Objemový modul 447 GPa prevyšuje diamant; 241 GPa je štvornásobok diamantu |
Debata o tvrdosti medzi uhlíkovými nanorúrkami a diamantom nakoniec dáva odpoveď, ktorá je funkciou - funkciou „tlaku“. Použite dostatočný tlak na uhlíkové nanorúrky a prekonajú diamant a stanú sa „kráľom ultratvrdých materiálov“.
Toto je to najlepšie kúzlo uhlíkových nanorúriek: môžu byť dostatočne „mäkké“ na to, aby sa skrútili do drôtov v nanorozmere a dostatočne „tvrdé“, aby prekonali diamant. Od rekordu 241 GPa univerzity Yanshan po stabilný výstup uhlíkových nanorúrok s čistotou 98 % alebo vyššou ako 98 % nový materiál Tanfeng sa táto „debata o tvrdosti“ posúva od akademického skúmania k priemyselnej transformácii.