Въглеродните нанотръби са сред най-леките известни материали с плътност от само 1,3-2,1 g/cm³, много по-ниска от тази на стоманата (7,9 g/cm³) и алуминия (2,7 g/cm³). Това означава, че за същия обем теглото на въглеродните нанотръби е само 1/6 от това на стоманата и 1/2 от това на алуминия. Още по-удивителното е, че въпреки че въглеродните нанотръби са по-леки от алуминия, тяхната якост на опън е 100 пъти по-голяма от тази на стоманата - комбинация от „леки, но здрави“, която е изключително рядка в природата. Композитите от въглеродни нанотръби вече са постигнали 40% намаление на теглото и 20-25% подобрение на горивната ефективност в авиационната и автомобилната промишленост. Shandong Tanfeng New Material насърчава индустриализацията на този "лек като перце, здрав като стомана" супер-материал.
1. Колко леки са въглеродните нанотръби? Набор от числа ви казва
Заключение:Плътността на въглеродните нанотръби е приблизително 1,3-2,1 g/cm³, което е по-леко от алуминия и само 1/6 от това на стоманата.
Първо, нека да разгледаме твърдите данни. Според академична литература от лаборатория към Министерството на енергетиката на САЩ, типичната плътност на композитите от въглеродни нанотръби (CNT) е 1,3 g/cm³. Данните за местни продукти също потвърждават този порядък на величина - истинската плътност на някои търговски продукти е приблизително 2 g/cm³, с плътност при нанасяне от само 0,18 g/cm³. За да обобщим, видимата плътност на праха от въглеродни нанотръби пада приблизително в диапазона от 1,3-2,1 g/cm³.
Какво означава тази "лекота"? Нека го сравним с високо{0}}ефективните метали, с които сме запознати в ежедневието:
| Материал | Плътност (g/cm³) | Въглеродни нанотръби срещу този материал |
|---|---|---|
| Материал въглеродни нанотръби | 1.3-2.1 | --Базова линия-- |
| Алуминий (алуминиева сплав) | 2.7 | CNT са приблизително 30%-50% по-леки |
| Титан (титаниева сплав) | 4.5 | CNT са приблизително 56%-71% по-леки |
| Стомана | 7.9 | CNT са приблизително 70%-80% по-леки, т.е. за същия обем теглото на CNT е само 1/6 до 1/4 от това на стоманата |
За да дадем интуитивен пример: обикновена главина на автомобилно колело, ако е направена от композитен материал от въглеродни нанотръби, може да види теглото си от над 20 jin (около 10 kg) до 5-6 jin (около 2,5-3 kg). Можете лесно да го вдигнете с една ръка.
2. Защо въглеродните нанотръби са толкова леки? Тайната се крие в тяхната "наномащабна фигура"
Заключение:Свръх{0}}леката характеристика на въглеродните нанотръби произлиза от тяхната уникална микроструктура - въглеродните атоми са подредени в шестоъгълен модел на пчелна пита, образувайки кръг, за да се създаде куха „наномащабна тръба“, като вътрешността е почти изцяло празна.
Въглеродната нанотръба е по същество "тръба", и то тръба в наномащаба.
Неговата микроструктура е следната: въглеродните атоми са свързани помежду си чрез ковалентни връзки, образувайки стабилен шест-членен пръстен от графенов лист, след което този графенов лист се „навива“ в цилиндър. Този цилиндър е кух - вътре няма атоми, само въздух или вакуум. Навиването на един слой създава въглеродна нанотръба с една -стена (SWCNT); навиването на множество слоеве създава много-стенна въглеродна нанотръба (MWCNT) с разстояние между слоевете от около 0,34 nm.
Ключът за измерване на теглото на материал: Плътност=Маса / Обем
Металите са пълни с атоми, опаковани плътно, така че са тежки. Обвивката на въглеродната нанотръба е съставена от въглеродни атоми (въглеродните атоми са много по-леки от железните или алуминиевите атоми), вътрешността е празна и обвивката е изключително тънка -, следователно има много малко материал, съдържащ се в единица обем, така че е естествено лека.
Използвайки кухненска аналогия:Металната шпатула е здрава и тежка; кухата сламка за пиене е лека, защото има само тънка стена на повърхността. Въглеродната нанотръба е молекулярната версия на „куха сламка за пиене“.
3. Наистина невероятното нещо не е „лекотата“, а комбинацията „лека, но силна“
Заключение:Специфичната якост на въглеродните нанотръби достига до 500 MPa·cm³/g, далеч надвишавайки тази на традиционните метали като стомана, алуминий и титан, което го прави един от най-високите сред известните инженерни материали.
Ако беше само „леко“, нямаше да е специално - дунапренът също е много лек, но се смачква лесно. Това, което наистина прави въглеродните нанотръби удивителни е, че макар да са леки като въздуха, те са и невероятно здрави.
Както анализирахме подробно в предишната статия: якостта на опън на въглеродните нанотръби може да достигне 50-200 GPa, което е 100 пъти повече от стоманата. Когато тези данни се умножат по измерението „лекота“, получаваме показател, който подлудява инженерите – специфична якост (якост ÷ плътност).
Разгледайте този набор от сравнителни данни:
| Материал | Плътност (g/cm³) | Якост на опън (MPa) | Специфична якост (MPa·cm³/g) |
|---|---|---|---|
| Композит от въглеродни нанотръби | 1.3 | ~650 | 500 |
| Алуминий (7075-T6) | 2.7 | 572 | 212 |
| Титан (Ti-6Al-4V) | 4.5 | 950 | 211 |
| Стомана (A36) | 7.9 | 400 | 51 |
Колкото по-висока е специфичната якост, толкова по-голяма{0}}носещият капацитет за дадено тегло. Специфичната якост на въглеродните нанотръби (500) е почти 10 пъти по-голяма от тази на стоманата (51) - въже, направено от въглеродни нанотръби със същото тегло, може да понесе почти 10 пъти натоварването на стоманено телено въже.
Ето защо учените предвиждат използването на въглеродни нанотръби за изграждането на космически асансьор -, защото само материал, който е „лек като перце, здрав като стомана“, би могъл евентуално да създаде кабел, простиращ се от Земята до космоса.
4. Индустриалната революция, донесена от "лекотата": 40% намаляване на теглото, 25% икономия на гориво
Заключение:Композитите от въглеродни нанотръби вече са постигнали ефекти на намаляване на теглото до 40% в космическата и автомобилната промишленост, което директно се превръща в 20-25% подобрение на горивната ефективност.
„Лекота“ не е просто игра с числа; осезаемо променя индустриалния пейзаж.
Според обзорна статия в международното академично списаниеМатериалознание и инженерство: Р, композитите от въглеродни нанотръби демонстрират голям потенциал в авиационната и автомобилната промишленост: теглото на структурните компоненти може да бъде намалено с до 40%, като същевременно се поддържат или дори подобряват механичните свойства.
Нека да разгледаме примери за-приложения от реалния свят:
| Случай на приложение | Роля на композита от въглеродни нанотръби | Действителен ефект |
|---|---|---|
| Boeing 787 Dreamliner | Конструктивни компоненти на фюзелажа | 20-25% подобрение на горивната ефективност |
| Електрически автомобил BMW i3 | Панели на тялото | 30% намаляване на теглото |
| KIST двигател с въглеродни нанотръби (Корея) | Намотки на моторни намотки | Приблизително 25% намаление на теглото на двигателя |
Случаят с Boeing 787 заслужава особено внимание. Този „Dreamliner“ широко използва усъвършенствани композитни материали (включително въглеродни нанотръби-подсилени материали), не само постигайки значително намаляване на теглото, но и позволявайки на този голям самолет да спести над 20% гориво в сравнение с подобни модели. Корейският институт за наука и технологии (KIST) дори отиде крачка напред и директно изгради двигател без никакви метални намотки -, като замени медната жица с жица от въглеродни нанотръби, което доведе до тегло на двигателя само една-пета от това на меден двигател.
За самолет:Икономия на гориво=лети по-далеч + по-ниски цени на билети + намалени въглеродни емисии.
За електрическо превозно средство:Намаляване на теглото=по-дълъг обхват + по-бързо ускорение + по-малка батерия.
Лекотата е златна; лекотата е конкурентоспособност.
5. Нов материал Shandong Tanfeng: Превръщане на „лекотата“ в продукти, които могат да се купят
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. масово-произвежда и произвежда „ултра-леките“ характеристики на въглеродните нанотръби, обслужващи високо-производствените индустрии, като авиокосмическата промишленост и превозните средства с нова енергия.
Превръщането на въглеродните нанотръби от „чудотворен материал“ в лабораторията в промишлена суровина, която инженерите могат да поръчват, изисква компании, които наистина владеят широкомащабна{0}}технология за производство.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. е точно такава компания.
Какво прави?
Компанията се фокусира върху научноизследователска и развойна дейност и производство на много-стенни въглеродни нанотръби (MWCNT), едно-стенни въглеродни нанотръби (SWCNT), функционализирани въглеродни нанотръби, проводими пасти и предварително-диспергирани продукти. Чистотата на продукта е по-голяма или равна на 97,5%, остатъчните примеси от Fe, Co и Ni катализатори са по-малки или равни на 0,5 ppm, разпределението на диаметъра на тръбата е тясно и консистенцията от-към-партида CV е<5%.
Неговите основни компетенции:
| Измерение на предимството | Специфично съдържание |
|---|---|
| Основен процес | Производство в газова{0}}фаза (CVD); диаметърът на тръбата може да се контролира, партидите са стабилни |
| Продуктова матрица | Пълно покритие на едно-стенни/много-стенни; персонализирана функционалност (-COOH, -OH и др.) |
| Указания за кандидатстване | Седем основни области, включително нови енергийни превозни средства, аерокосмически, железопътен транзит, вятърна енергия, съхранение на водородна енергия |
| Уникална способност | Цялата верига се контролира независимо от катализатора до крайния продукт |
| Доказани резултати | Осигурява проводима паста за водещи местни предприятия за батерии, като вече постига 30% намаление на съпротивлението на електродния лист |
Tanfeng New Material също така предоставя PA12 носещи много-стенни въглеродни нанотръби мастербачи на европейски доставчици на автомобилни части, отговаряйки на строгите анти-статични изисквания за горивните тръбопроводи. Когато компании като BMW и Boeing се нуждаят от високо-ефективни леки материали, въглеродните нанотръби се трансформират от далечна лабораторна концепция в осезаеми продукти на рафтовете на китайски компании като Tanfeng.
Резюме: Какво означава „лекотата“ на въглеродните нанотръби?
| Перспектива | Основно заключение |
|---|---|
| данни | Плътност 1,3-2,1 g/cm³, само 1/6 от тази на стоманата, по-лека от алуминий |
| Принцип | Структура „куха наномащабна тръба“, тънко-стенни и куха вътрешност, естествено лека |
| Изпълнение | Специфична якост от 500 MPa·cm³/g, почти 10 пъти по-голяма от стоманата, лека, но здрава |
| Индустрия | Постига 40% намаление на теглото и 25% икономия на гориво; вече е проверено на Boeing 787 и BMW i3 |
| Реалност | Компании като Shandong Tanfeng New Material го-произвеждат масово за промишлена употреба |
„Лекотата“ на въглеродните нанотръби никога не е била просто число с ниска-плътност. Става дума за пренасяне на най-големия товар с най-малка маса, постигане на най-силна производителност с най-малко материал и създаване на най-висока ефективност с най-леките компоненти.
Когато Shandong Tanfeng New Material непрекъснато „издухва“ този черен прах от своята фабрика - прах, който е по-лек от въздуха (в потупано състояние), но по-здрав от стомана -, това сигнализира, че „леката ера“ в света на материалите наистина е настъпила.