В челните редици на науката за материалите, въглеродните нанотръби, с техните изключителни механични, електрически и термични свойства, постепенно преминават от лабораторията към широкомащабни-промишлени приложения. Когато се конкурират с графен и въглеродни влакна, които също принадлежат към семейството на въглерода, инженерите и персоналът за научноизследователска и развойна дейност често се сблъскват с „трудност при избора“. Тази статия ще анализира задълбочено съществените разлики между тези три звездни материала и в съчетание с твърди данни и практически случаи ще предостави ясна основа-за вземане на решения за вашия избор на проводящи добавки за въглеродни нанотръби и подсилващи материали. Ние не само ще анализираме разликите между въглеродните нанотръби и въглеродните влакна, но също така ще обсъдим кой материал е по-подходящ за вашите специфични нужди, съчетано с действителния производствен опит на Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd.
1. Въглеродни нанотръби, графен и въглеродни влакна: съществени разлики и сравнение на характеристиките
Основната разлика между трите е в геометричната размерност, която определя техните напълно различни роли в композитните материали.
За да разберем кой е по-подходящ, първо трябва ясно да видим техния "външен вид". Можем да сравним основните физически параметри на въглеродните нанотръби, графена и въглеродните влакна чрез интуитивна таблица:
| Име на материала | Измерение на микроструктурата | Диаметър/Дебелина | Проводимост (S/cm) | Плътност (g/cm³) | Характерни ключови думи |
|---|---|---|---|---|---|
| Въглеродни нанотръби | Едно-измерен (тръбен) | 1-20 nm | 10³ - 10⁴ | 1.3 - 1.75 | Изключително високо съотношение на страните, куха структура, висока якост |
| Графен | Дву{0}}измерен (лист) | <1 nm (monolayer) | До 10⁴ | 1.06 | Огромна специфична повърхност, отлична-проводимост в равнина |
| Въглеродни влакна | Едно-измерен (влакнест, микронен-мащаб) | 5-10 μm | ~10⁴ | ~2 | Макроскопично непрекъснато усилване, висок модул |
Въглеродните нанотръби могат да се разглеждат като безшевни тръби, образувани чрез навиване на графенови листове. Това "търкаляне" им дава уникални характеристики. Въглеродните влакна, от друга страна, са по-скоро като макроскопичен "сноп от жици", съставен от безброй по-малки кристалити, използвани главно за понасяне на макроскопични механични натоварвания. В областта на литиевите батерии проводящите добавки от въглеродни нанотръби, поради техния линеен режим на контакт "точка-линия", могат по-ефективно да изграждат проводящи мостове между активните материали, предимство, което традиционните гранулирани проводящи добавки (като сажди) нямат. Изследванията показват, че в литиево-железните фосфатни катоди дву-стенните въглеродни нанотръби като проводими добавки превъзхождат едно-стенните въглеродни нанотръби и саждите, демонстрирайки по-висока проводимост и адхезия.
2. Кое е по-подходящо като проводима добавка? - Играта за производителност в литиевите батерии и композитните материали
В приложенията с проводящи добавки въглеродните нанотръби превъзхождат в подобряването на скоростта и живота на цикъла. Графенът е изправен пред трудности при дисперсия, докато въглеродните влакна, поради размера си, са трудни за използване за изграждане на наномащабни проводими мрежи.
При литиево-йонните батерии изборът на проводяща добавка пряко влияе върху вътрешното съпротивление и енергийната плътност. Въглеродните нанотръби (особено много{2}}стенните въглеродни нанотръби) и графенът са настоящи горещи точки за изследване.
Ефективност на изграждането на проводима мрежа:Въглеродните нанотръби имат изключително високо аспектно съотношение (наномащабен диаметър, микрон-мащабна дължина), което им позволява да образуват линейна-контактна проводяща мрежа в електродни материали, което значително подобрява ефективността на транспортирането на електрони и намалява необходимото количество проводяща добавка (като по този начин увеличава енергийната плътност). За разлика от това, въпреки че графенът има изключително висока-проводимост в равнината, като дву-измерен листов материал, неравномерната дисперсия може да попречи на дифузията на литиеви йони. Въглеродните влакна, поради прекалено големия си диаметър (мащаб на микрони -), не могат да образуват равномерно разпределение вътре в електродния лист и обикновено не се използват като вътрешна проводяща добавка за литиеви батерии, а по-скоро за приготвяне на макроскопични проводими електроди.
Дисперсионни предизвикателства:И трите са изправени пред проблеми с дисперсията, но в различна степен. Въглеродните нанотръби са силно склонни към агломерация и обикновено трябва да бъдат превърнати в предварително-диспергирана проводяща паста за употреба. Проводимата паста за въглеродни нанотръби, предоставена от Shandong Tanfeng New Material, е предназначена да реши този проблем, осигурявайки максимална ефективност в анодни и катодни материали чрез професионални процеси на дисперсия.
Предимство на новия материал на Shandong Tanfeng:Като професионален производител на въглеродни нанотръби, Shandong Tanfeng New Material не само осигурява едно{0}}стенни/много-стенни въглеродни нанотръби на прах с чистота, по-голяма или равна на 98%, но също така има годишен производствен капацитет от 10 000 тона и зряла технология за приготвяне на проводяща паста за въглеродни нанотръби, ефективно решавайки проблемите с дисперсията на клиентите надолу по веригата.
3. Кое е по-подходящо като армиращ материал? - Логиката на подсилване на механичните свойства и композитите
В композитната армировка въглеродните влакна доминират макроскопичните механични свойства, въглеродните нанотръби осигуряват „-подсилване на място“ в наномащаба, а производителността на графена е между двете.
Когато тези три материала се добавят като подсилвания към полимерни, метални или керамични матрици, техните механизми на действие са напълно различни:
Въглеродни влакна: „Арматурното желязо“ на макроскопичната армировка
Въглеродните влакна са "скелетът" на макроскопичните композити. При производството на фюзелажи на самолети, лопатки на вятърни турбини или високо{1}}производителни автомобилни части композитите, подсилени с въглеродни влакна, са известни със своята изключително висока якост и модул. Те решават проблемите с твърдостта и здравината на макроскопично ниво.
Въглеродни нанотръби: „Свързващото вещество“ и „Мостовият агент“ в наномащаба
Разликата между въглеродните нанотръби и въглеродните влакна е, че въглеродните нанотръби се използват главно за нано/микромащабна армировка. Добавянето им към композитите от въглеродни влакна може значително да подобри междуслойната якост на срязване и устойчивост на умора. Например, проучванията показват, че след добавяне на следи от модифицирани въглеродни нанотръби, якостта на опън на композитите от въглеродни влакна може да се увеличи с повече от 32,97%. Въглеродните нанотръби действат като „нано-нитове“, закрепвайки се между влакната и смолата, за да предотвратят разпространението на пукнатини.
Графен: дву{0}}измерно подсилване на „кръпка“.
Голямата специфична повърхност на графена му осигурява голяма контактна площ с матрицата. При някои термореактивни смоли ефектът на подсилване е дори по-добър от този на много{1}}стенните въглеродни нанотръби. В практически приложения обаче контролирането на ориентацията на графена е по-трудно, отколкото при въглеродните нанотръби.
| Сценарий за укрепване | Предпочитан материал | Причина |
|---|---|---|
| Макроскопични структурни компоненти (напр. каросерии на автомобили) | Въглеродни влакна | Осигурява изключително висока якост на опън и модул, като служи като основна-носеща фаза. |
| Полимерна анти{0}}статична / статична{1}}дисипативна модификация | Въглеродни нанотръби | Добавянето на 2-3% значително подобрява проводимостта, постига постоянни антистатични характеристики и има минимален ефект върху цвета на матрицата. |
| Подобряване на якостта на счупване на епоксидна смола | Въглеродни нанотръби | Консумира енергия на счупване чрез преодоляване на пукнатини и ефекти-издърпване. |
| Високо{0}}ефективни аерокосмически композитни материали | Синергия на въглеродни нанотръби / графен | Синергичната модификация на въглеродни влакна с въглеродни нанотръби и графен постига „твърдо и гъвкаво“ много{0}}усилване. |
При добавяне на 0,6 тегл.% въглеродни нанотръби, якостта на опън на композита се увеличава с 33,59%, докато добавянето на същото количество графен води до увеличение от 45,94%. Това показва, че в различните матрични системи производителността на двете варира.
4. Как да направим мъдър избор?
Кой материал да изберете зависи от вашия сценарий на приложение - ако е за подобряване на електрическите характеристики на литиевите батерии, въглеродните нанотръби са многообещаващ избор; ако е за макроскопично структурно укрепване, въглеродните влакна са незаменими; ако преследвате многофункционална модификация в наномащаба, както въглеродните нанотръби, така и графенът имат своите силни страни, но въглеродните нанотръби са по-универсално приложими по отношение на аспектното съотношение и цялостната производителност.
Изберете въглеродни нанотръби:Ако преследвате максимална електрическа проводимост (особено проводящи добавки за въглеродни нанотръби), имате нужда да подобрите устойчивостта на умора на композитите или да извършите модификация в наномащаб, това е безспорният „все-помощ“. Особено с местни производители като Shandong Tanfeng New Material, които постигат мащабно-производство, разходите бързо намаляват и прагът за промишлено приложение е значително намален.
Изберете въглеродни влакна:Ако трябва да произвеждате големи компоненти, които понасят големи натоварвания, традиционните въглеродни влакна остават непоклатим крайъгълен камък.
Изберете графен:Ако особено цените топлопроводимостта или бариерните свойства и можете да решите проблемите с дисперсията и разходите, графенът има своите уникални предимства.
В бъдеще въглеродните нанотръби, по силата на тяхната уникална-едномерна структура, ултра-високо аспектно съотношение и все по-зряла технология за проводяща паста за въглеродни нанотръби, ще имат неограничени перспективи в новата енергетика, космическата индустрия и производството от висок-клас. Овладяването на дисперсионната технология и процесите на композитна модификация на въглеродните нанотръби ще бъде от ключово значение за завземането на високите позиции на новите материали.