Uhlíkové nanorúrky a diamanty majú porovnateľnú tvrdosť, ale ich definície „tvrdého“ sú odlišné. Pokiaľ ide o tvrdosť vrypu (tvrdosť podľa Mohsa), diamant je 10, čo je najvyššie spomedzi prírodných minerálov. Uhlíkové nanorúrky nemajú štandardnú hodnotu tvrdosti podľa Mohsa, ale ich schopnosť poškriabania je porovnateľná s diamantom. Pokiaľ ide o tvrdosť podľa Vickersa (odolnosť voči vtlačeniu), diamant má hodnotu 7140-15300 HV, zatiaľ čo uhlíkové nanorúrky majú hodnotu približne 1000-2000 HV. Výskum však syntetizoval trojrozmerné kovalentne viazané uhlíkové nanorúrky s tvrdosťou podľa Vickersa 82,8 GPa. Čo sa týka húževnatosti, uhlíkové nanorúrky sú 100-krát pevnejšie ako oceľ a dajú sa roztiahnuť. Diamanty, aj keď sú tvrdé, sú veľmi krehké a môžu byť rozbité kladivom.záver:V tvrdosti vrypu diamant ≈ uhlíková nanorúrka; v nárazovej húževnatosti uhlíkové nanorúrky úplne prevyšujú diamant.
1. Najprv pochopte „tvrdosť“: Znamená to rôzne veci
záver:V každodennom živote má slovo „tvrdý“ v skutočnosti dva významy - tvrdosť proti poškriabaniu (odolnosť proti opotrebeniu) a odolnosť proti nárazu. Diamant vyhráva iba prvý, ale prehráva druhý.
Pred porovnaním uhlíkových nanorúrok a diamantov si treba ujasniť: čo vlastne znamená „tvrdosť“?
Mnoho ľudí sa mylne domnieva, že vysoká tvrdosť znamená „nedá sa zlomiť kladivom“. Toto je mylná predstava.
Profesionálne sa tvrdosť delí hlavne na dva typy:
| Typ tvrdosti | Metóda merania | Spoločný výklad | Reprezentatívny materiál |
|---|---|---|---|
| Tvrdosť proti poškriabaniu (tvrdosť podľa Mohsa) | Poškriabaním minerálov o seba zistíte, ktoré zanechávajú stopu | "Odolnosť proti opotrebeniu" | Diamant, stupeň 10 (najvyšší) |
| Tvrdosť podľa Vickersa (tvrdosť vtlačenia) | Do povrchu materiálu zatlačte diamantový indentor | "Odolnosť proti deformácii pod tlakom" | Diamant 7140-15300 HV |
| Nárazová húževnatosť | Úder kladivom, test pádom | "Odolnosť proti nárazu" | Diamant je veľmi krehký a ľahko sa rozbije |
Diamant:Mohsova tvrdosť 10, najvyššia spomedzi prírodných minerálov. Má však „oktaedrické štiepenie“ -, keď je sila aplikovaná v určitom smere, dokonca aj malé množstvo môže spôsobiť jej rozdelenie. Zasiahnutie diamantu kladivom ho rozbije na prášok. Nie je to preto, že jeho tvrdosť je nedostatočná, ale preto, že jeho krehkosť je vysoká.
Uhlíkové nanorúrky:Pozostáva z atómov uhlíka spojených kovalentnými väzbami C=C, jedna z najstabilnejších chemických väzieb v prírode. Ich tvrdosť podľa Mohsa nemá štandardnú hodnotu, ale ich schopnosť poškriabania je „porovnateľná“ s diamantom. Kľúčovým bodom je, že uhlíkové nanorúrky tiež „majú dobrú flexibilitu a dajú sa natiahnuť“.
Ak chcete použiť analógiu:Diamant je ako kus skla - povrch je extrémne tvrdý a odolný-opotrebeniu, ale pri páde na podlahu sa rozbije. Uhlíkové nanorúrky sú ako oceľový drôt -, môžu tiež poškriabať sklo, ale dajú sa aj ohnúť, natiahnuť a sú nerozbitné.
2. Nechajte hovoriť dáta: Uhlíkové nanorúrky vs. diamanty - Čo je silnejšie?
záver:Pokiaľ ide o pevnosť v ťahu a špecifickú pevnosť (sila ÷ hustota), uhlíkové nanorúrky sú „super vlákno“, ktorému sa diamant nevyrovná. Čo sa týka tvrdosti podľa Vickersa, prírodné uhlíkové nanorúrky nie sú také tvrdé ako diamant, no umelo syntetizované odrody sa mu priblížili alebo ho dokonca prekonali.
Pozrime sa priamo na porovnanie údajov:
| Výkonnostná metrika | Diamantový | Uhlíková nanotrubica (CNT) |
|---|---|---|
| Tvrdosť podľa Mohsa | 10 (najvyššia spomedzi prírodných minerálov) | "Porovnateľné" s diamantom |
| Tvrdosť podľa Vickersa (HV) | 7140-15300 Hv | Približne 1000-2000 Hv (pre jednu trubicu) |
| Pevnosť v ťahu | ~2-3 GPa (nižšie s chybami) | 50-200 GPa |
| Modul pružnosti | ~1,0-1,2 TPa | 1-5 TPa |
| Hustota | 3,5 g/cm³ | 1,3-2,0 g/cm³ |
| Špecifická sila (sila/hustota) | ~0,6-0,9 GPa·cm3/g | 25-100 GPa·cm³/g (100-krát viac ako oceľ) |
| Flexibilita | Mimoriadne krehký, má štiepne roviny | Dá sa natiahnuť a ohnúť |
| Odolnosť proti nárazu | Dá sa rozbiť kladivom | Ultra{0}}vysoká húževnatosť, dá sa použiť v nepriestrelných vestách |
Niekoľko z týchto dátových bodov stojí za podrobné preskúmanie:
1. Pevnosť v ťahu: Uhlíkové nanorúrky úplne vyhrávajú
Pevnosť v ťahu uhlíkových nanorúrok je 50-200 GPa. Hoci je diamant tvrdý, nie je dobrý v „odolávaní napätiu“. Aby som použil prirovnanie: Diamant je ako sklenená tehla – nedá sa rozdrviť, ale pri ťahaní sa ľahko zlomí.
2. Modul pružnosti: Uhlíkové nanorúrky o niečo lepšie
Modul pružnosti meria „schopnosť odolávať deformácii“. Diamant je približne 1,0-1,2 TPa. Teoretická hodnota pre uhlíkové nanorúrky môže dosiahnuť 5 TPa, pričom namerané hodnoty sú typicky v rozsahu 1-1,8 TPa. Pokiaľ ide o „tuhosť“, sú približne ekvivalentné, pričom uhlíkové nanorúrky majú dokonca mierny okraj.
3. Špecifická sila: Uhlíkové nanorúrky dominujú všetkému
Špecifická sila=sila ÷ hustota, ktorá meria „koľko ťažnej sily vydrží jednotková hmotnosť“. Špecifická pevnosť uhlíkových nanorúriek je 100-krát väčšia ako pevnosť ocele a dosahuje 25-100 GPa·cm³/g. To znamená: ak by ste vyrobili lano z uhlíkových nanorúriek, bolo by 100-krát pevnejšie ako oceľové lano rovnakej hmotnosti. To je tiež dôvod, prečo sci-fi román „Problém troch telies“ použil „nano lietajúce čepele“ na prerezanie obrovských lodí a prečo si vedci predstavujú použitie uhlíkových nanorúrok na stavbu „vesmírneho výťahu“.
4. Ultra-tvrdé uhlíkové nanorúrky: Nový vedecký prielom
Štúdia z roku 2022 navrhla trojrozmernú kovalentne viazanú uhlíkovú nanorúrku prostredníctvom teoretických výpočtov. Jeho tvrdosť podľa Vickersa dosiahla 82,8 GPa, čo je porovnateľné s kubickým nitridom bóru. Iná štúdia v tom istom roku predpovedala dva metastabilné ultra-tvrdé uhlíkové nanorúrkové polyméry s tvrdosťou podľa Vickersa 40,4 GPa a 37,1 GPa.
Tieto údaje ukazujú, že uhlíkové nanorúrky dokážu poraziť diamant nielen z hľadiska húževnatosti, ale vedci im tiež umožňujú prekonať diamant v ukazovateli „tvrdosti“.
3. Je „Nano Flying Blade“ skutočný? Aké silné sú uhlíkové nanorúrky?
záver:„Nano lietajúca čepeľ“ z filmu „Problém s tromi{0}}telesnými časťami“, ktorá prerezáva obrovské lode, je založená na uhlíkových nanorúrkach. V skutočnosti je teoretická sila uhlíkových nanorúrok skutočne dostatočná na to, aby „prerezali kov ako blato“.
V sci-fi románe „The Three{0}}Body Problem“ dokáže „nano lietajúca čepeľ“ iba-desatinu hrúbky ľudského vlasu rozrezať obrovskú loď ako tofu. Tento koncept nevznikol zo vzduchu - jeho prototypom je uhlíková nanorúrka.
Čo môžu uhlíkové nanorúrky v skutočnosti dosiahnuť?
100-krát pevnejšia ako oceľ:Zväzok uhlíkových nanorúriek tenších ako ľudský vlas by teoreticky mohol zdvihnúť auto.
Silnejšie ako akékoľvek vlákno:Uhlíkové nanorúrky sú oveľa lepšie ako akékoľvek známe vlákno v pevnosti aj húževnatosti.
Vesmírny výťah nie je sen:Vedci sa domnievajú, že uhlíkové nanorúrky sú najlepším kandidátskym materiálom na výrobu kábla „vesmírneho výťahu“.
Samozrejme, súčasná technická prekážka spočíva v tom, ako replikovať výnimočný výkon jednotlivých uhlíkových nanorúrok v makroskopickom materiáli. Toto je zložitý problém, ktorý vedci z celého sveta riešia.
4. Ako nový materiál Tanfeng vyrába tento „super materiál“
Spoločnosť Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. transformuje vynikajúce mechanické vlastnosti uhlíkových nanorúrok na masovo -vyrobiteľné produkty, čím prináša „super materiál“ z laboratória.
Teória je jedna vec, ale skutočné využitie „superschopností“ uhlíkových nanorúrok na skutočné produkty si vyžaduje spoločnosti, ktoré ovládajú-veľkokapacitnú výrobnú technológiu.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. je presne takouto spoločnosťou.
čo to robí?Spoločnosť sa zameriava na výskum a vývoj a výrobu prášku z uhlíkových nanorúrok, vodivej pasty a silikónových{0}}uhlíkových anódových materiálov. Jej produkty pokrývajú celý rad jednostenných uhlíkových nanorúriek a mnohostenných uhlíkových nanorúriek.
Aká je jeho technická spôsobilosť?
Vlastní viac ako desať aktívnych patentov súvisiacich s uhlíkovými nanorúrkami.
Ovláda rôzne procesy prípravy vrátane oblúkového výboja, laserovej ablácie a chemického nanášania pár (CVD).
Čistota produktu 98 % alebo viac; veľkosť častíc prášku môže dosiahnuť 5-15 μm.
Mesačná produkcia dosahuje 200 ton, už v sériovej výrobe.
Kde uplatňuje mechanické vlastnosti uhlíkových nanorúrok?Teoretický Youngov modul produktov z uhlíkových nanorúrok Tanfeng môže dosiahnuť 5 TPa, s pevnosťou približne 100-krát väčšou ako oceľ a hustotou iba 1/6 pevnosti ocele. Tieto vynikajúce mechanické vlastnosti sa využívajú v nasledujúcich oblastiach:
| Pole aplikácie | Špecifické použitie | Úloha uhlíkových nanorúrok |
|---|---|---|
| Letectvo a kozmonautika | Konštrukčné prvky trupu a krídla | Mimoriadne-vysoká pevnosť + ultra{2}}nízka hmotnosť |
| Železničná doprava | Ľahké materiály pre karosérie vlakov | Znižuje hmotnosť pri zachovaní sily |
| Veterná energia | Obrie čepele | Odolnosť proti únave, dlhá životnosť |
| Pokročilé polymérne materiály | Vysoko{0}}výkonné kompozity | Zlepšuje mechanické vlastnosti |
| Elastoméry | Gumové výrobky s vysokou-opotrebením- | Zlepšuje pevnosť a odolnosť proti opotrebovaniu |
Spoločnosť dôsledne dodržiava národnú stratégiu rozvoja pre novú energiu a nové materiály, pričom jej podnikateľská pôsobnosť je celoštátna a chce sa stať „poskytovateľom pokročilých materiálov a poskytovateľom technických služieb“.
Jedno{0}}zhrnutie vety:Zatiaľ čo vedci v laboratóriách dokazujú, že uhlíkové nanorúrky sú „super vlákno“, spoločnosti ako Tanfeng New Material ich menia na produkty, ktoré si môžete kúpiť.
Záver: Čo je ťažšie? Odpoveď závisí od toho, ako definujete „ťažké“
| Ak sa pýtate na... | Odpoveď je... |
|---|---|
| Čo je odolnejšie-opotrebeniu (tvrdosť proti poškriabaniu) | Diamant ≈ uhlíkové nanorúrky (porovnateľné); diamant je najvyšší spomedzi prírodných minerálov |
| Čo je odolnejšie voči kompresii (tvrdosť podľa Vickersa) | Diamant je vyšší, ale ultra{0}}tvrdé uhlíkové nanorúrky sa mu priblížili alebo ho dokonca prekonali |
| Ktorý je odolnejší voči ťahu (pevnosť v ťahu) | Uhlíkové nanorúrky úplne vyhrávajú, sú niekoľkonásobne silnejšie ako diamant |
| Ktorá je odolnejšia voči nárazu (pevnosť) | Uhlíkové nanorúrky úplne vyhrávajú; diamant sa rozbíja kladivom |
| Čo je celkovo silnejšie (komplexný výkon) | Uhlíkové nanorúrky - tvrdé, pevné, húževnaté a ľahké |
Konečný záver je:
V tradičnom zmysle „odolnosti proti opotrebeniu“ majú diamantové a uhlíkové nanorúrky svoje výhody. Ale pokiaľ ide o „komplexné mechanické vlastnosti“ -, nesporným kráľom sú najmä pevnosť v ťahu, húževnatosť a špecifická pevnosť - uhlíkové nanorúrky.
Diamant je „najtvrdší prírodný minerál na Zemi“, ale uhlíkové nanorúrky sú „najsilnejším vláknom vyrobeným ľuďmi“.
Ako povedal jeden materiálový vedec: "Diamant je kráľom minulosti, uhlíkové nanorúrky sú základným kameňom budúcnosti."
A keďže tento budúci materiál masovo-produkuje Shandong Tanfeng, môžeme povedať: nastala éra uhlíkových nanorúriek.