Кое е "по-твърдо", въглеродните нанотръби (CNT) или диамантът? Отговорът зависи от това дали оказвате натиск върху него. По отношение на твърдостта по Моос двете са сравними - твърдостта на въглеродните нанотръби е сравнима с тази на диаманта. По отношение на твърдостта на Викерс въглеродните нанотръби в естествено състояние (185,1 HV) са много по-ниски от диаманта (от порядъка на 10 000 HV). Но чудо се случва, когато въглеродните нанотръби са студено компресирани: те могат да образуват ултратвърда фаза с обемен модул от 447 GPa, като стойността на твърдостта нараства от първоначалните 185,1 HV до 241 GPa (24 100 HV), което е 4 пъти повече от необработения диамант (приблизително 60 GPa). Това означава: при нормални условия диамантът е по-твърд; след обработка под високо-налягане въглеродните нанотръби могат да надминат диаманта и да станат „Кралят на ултратвърдите материали“. Новият материал Shandong Tanfeng осигурява много{17}}чистота с много-едностенни-стенни въглеродни нанотръби, служещи като идеална суровина за такива високо{20}}изследвания.
1. Първо дефинирайте стандарта: два вида "твърдост," два отговора
Заключение:Кое е "по-твърдо", въглеродните нанотръби или диамантът? Зависи от вида на твърдостта, която измервате - Твърдостта по Моос, твърдостта по Викерс и обемният модул след фазова трансформация при свръх-налягане дават напълно различни отговори.
Терминът "твърдост" в материалознанието има поне три значения. Различните методи на измерване и различните условия дават напълно различни заключения:
| Тип твърдост | Метод на измерване | Типична стойност на диаманта | Типична стойност на въглеродни нанотръби |
|---|---|---|---|
| Твърдост по Моос | Надраскайте минералите един срещу друг | 10 (най-високата) | Сравним с диамант |
| Твърдост по Викерс (нормално състояние) | Натискане на диамантен индентор | От порядъка на 10 000 HV (приблизително 100 GPa) | 185.1 HV (композитен материал) |
| Твърдост по Викерс (фаза на високо{0}}налягане) | Измерено след студена компресия | Приблизително 100-150 GPa | 241 GPa (наносплетени диамантени снопове, направени от CNT) |
| Насипен модул | Устойчивост на компресия | Приблизително 440-442 GPa | Студено компресирана фаза 447 GPa |
Основната разлика е:Измерената стойност на твърдостта на въглеродните нанотръби в естественото им състояние е сравнително ниска (особено в композитите), но след като бъдат подложени на екстремна компресия, те се трансформират в ултратвърда фаза, която е по-твърда от диаманта.
Забележка: Твърдостта по Викерс на композитен материал от въглеродни нанотръби (като CNT/2024 алуминиева сплав) е около 185 HV. Тази стойност отразява общата твърдост на композита, а не твърдостта на самите въглеродни нанотръби. Изследванията върху твърдостта на отделните въглеродни нанотръби се провеждат главно в областта на фазовата трансформация при свръх-налягане.
2. Конфликт в нормално състояние: Равенство за твърдост на Моос, победи за диамантена твърдост по Викерс
Заключение:При „нормални“ условия (нормално налягане, стайна температура), които срещаме в ежедневието си, диамантът е абсолютният цар на твърдостта. Твърдостта на въглеродните нанотръби зависи главно от композитната матрица.
2.1 Твърдост по Моос: шия и шия
От гледна точка на "взаимното надраскване", твърдостта на въглеродните нанотръби е "сравнима" с тази на диаманта.
Въглеродните нанотръби се състоят от въглеродни атоми, свързани чрез sp² ковалентни връзки, образуващи шест-членна пръстенна структура, докато диамантът се състои от три-измерна рамка от sp³ ковалентни връзки. И двете са въглерод-въглеродни връзки - едни от най-стабилните химични връзки в природата. Следователно, когато се чешат един друг, нито един от тях няма ясно предимство пред другия.
На обикновен език:Диамантът може да надраска стъклото, а въглеродните нанотръби също могат да надраскат стъклото - в това измерение, двете равенства.
2.2 Твърдост по Викерс: Доминира диамантът
Твърдостта по Викерс се измерва чрез натискане на диамантен индентор в повърхността на материала и измерване на дълбочината на вдлъбнатината. В този тест конвенционалните въглеродни нанотръби са далеч по-ниски от диаманта:
| Материал | Твърдост по Викерс |
|---|---|
| Диамант | Приблизително 100 GPa магнитуд (10 000 HV) |
| Композит от въглеродни нанотръби/алуминиева сплав | Максимално приблизително 185,1 HV след твърд разтвор + обработка със стареене |
Разликата е около 50 пъти.
Но ето един ключов момент: 185 HV измерва „въглеродни нанотръби + алуминиева сплав“ Цялото - изследване, което наистина отразява твърдостта на самите въглеродни нанотръби, се извършва с помощта на друга система за „свръх-високо налягане“ в лабораторията.
3. Моментът на "трансформация": Приложете натиск върху въглеродните нанотръби, те стават по-твърди от диаманта
Заключение:Когато въглеродните нанотръби са студено компресирани до над приблизително 75 GPa (750 000 атмосфери), те се трансформират в нова ултратвърда въглеродна фаза с обемен модул, надвишаващ този на диаманта.
Това е истинският "коз" на въглеродните нанотръби.
3.1 Експеримент със студена компресия: 75 GPa задейства фазов преход
През 2004 г. екип, ръководен от Zhongwu Wang от Университета на Аризона, публикува забележително проучване вPNAS. Те поставиха много{1}}стенни въглеродни нанотръби в клетка с диамантена наковалня и ги херметизираха до приблизително 100 GPa (около 1 милион атмосфери). Те откриха, че при около 75 GPa въглеродните нанотръби се трансформират в изцяло нова хексагонална въглеродна фаза.
Ключови данни:
| Параметър | Стойност |
|---|---|
| Насипен модул | 447 GPa (с фиксиран K′=4), надвишаващо приблизително 440-442 GPa на диаманта |
| Плътност | 3,6±0,2 g/cm³, сравнимо с диамант |
| Възстановимост | Тази фаза се запазва в околната среда след освобождаване на налягането |
Обемният модул е индикатор за „устойчивостта на компресия“ на материала - колкото по-висок е обемният модул, толкова по-трудно е материалът да се компресира под налягане. Фазата на високо-налягане на въглеродните нанотръби надминава диаманта по този показател.
3.2 Снопове наносплетени диаманти: Чупещи-рекорд 241 GPa
През 2021 г. екип, ръководен от професор Zhao Zhisheng и професор Xu Bo от университета Yanshan, публикува изследване вPNAS. Използвайки силно ориентирани много-стенни филми от въглеродни нанотръби като предшественици, те синтезираха диамант с преференциално ориентирани наносплетени снопове чрез обработка с високо-налягане и висока{3}}температура (HPHT).
Най-удивителните резултати:
| Параметър | Стойност |
|---|---|
| Твърдост по Кнуп | До 241 GPa, повече от 20% по-високо от предишния световен рекорд |
Какво означава 241 GPa? Твърдостта по Кнуп на необработен диамант (естествен диамант) обикновено е между 60-100 GPa. Това означава, че „диамантът от наносплетен пакет“, трансформиран от въглеродни нанотръби, е 2-4 пъти по-твърд от обикновения диамант.
Експериментът установи също, че този материал проявява значителна механична анизотропия: твърдостта варира в зависимост от ориентацията на наносплетените снопове, като най-високата твърдост се постига, когато инденторът е перпендикулярен на двойните снопове.
4. „Теоретичният таван“: три-измерни ковалентни въглеродни нанотръби
Заключение:Теоретичните изчисления предвиждат, че твърдостта по Викерс на някои три{0}}измерни полимери от ковалентни въглеродни нанотръби може да достигне над 40 GPa, попадайки между кубичен борен нитрид и диамант.
В допълнение към експерименталния синтез, учените са използвали изчисления на първите-принципи, за да предскажат свръхтвърди полимери от въглеродни нанотръби, които все още не са синтезирани.
| Име на структурата | Твърдост по Викерс | Характеристики на лентата |
|---|---|---|
| CNP-oC36 | 40,4 GPa | Полупроводник с индиректна забранена лента (1,29 eV) |
| CNP-oC40 | 37,1 GPa | Полупроводник с индиректна забранена лента (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 обикновено се счита за праг за свръхтвърди материали).
Въпреки че засега все още са на теоретичен етап, тези прогнози предполагат, че потенциалът на въглеродните нанотръби да се трансформират в три-измерни ултратвърди структури далеч надхвърля настоящото разбиране.
5. Една таблица за разбиране: Кое е „по-трудно“?
| Тестово състояние/състояние | Диамант | Въглеродна нанотръба | Победител |
|---|---|---|---|
| Твърдост по Моос (надраскване) | 10 | Сравним с диамант | Вратовръзка |
| Твърдост по Викерс в нормално състояние | ~100 GPa | 185 HV (композитен материал) | Диамант |
| Обемният модул след студено компресиране | ~440 GPa | 447 GPa | Въглеродна нанотръба |
| Фаза при високо{0}}налягане Твърдост по Викерс | ~100 GPa | 241 GPa | Въглеродна нанотръба |
Крайният отговор:
При нормални условия:Диамантът е "по-твърд". При тестове за нормално състояние твърдостта на диаманта по Викерс далеч надвишава тази на композитните материали от въглеродни нанотръби.
Под натиск:Въглеродните нанотръби са "по-твърди". Когато въглеродните нанотръби се компресират над 75 GPa, те се превръщат в ултратвърд материал, който е по-твърд от диаманта - независимо дали по отношение на обемен модул (447 срещу 440 GPa) или твърдост по Викерс (241 срещу ~100 GPa), те напълно надминават диаманта.
Въглеродните нанотръби са като „бога на войната“ в света на материалите - изглеждат обикновени при нормални условия, но след като „третото им око се отвори“ (прилага се екстремен натиск), тяхната твърдост мигновено надминава диаманта, за да стане „Кралят на ултратвърдите материали“.
6. Нов материал Shandong Tanfeng: „Суровинната база“ на индустрията за въглеродни нанотръби
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. осигурява прах от въглеродни нанотръби с висока-чистота (По-голяма или равна на 98%) с много-/едностенни-стени, служеща като идеална суровина за авангардни-изследвания, като например фазови преходи при високо-налягане.
Независимо дали става дума за изследване на-счупването на рекорда от 241 GPa на университета Яншан или изследването за фазов преход при студена компресия от 75 GPa на университета в Аризона, отправната точка и за двете са високо{3}}качествените суровини за въглеродни нанотръби.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. е точно „източникът на енергия“ по този път от „суров материал до ултратвърд“.
| Измерение на предимството | Силата на новия материал на Tanfeng |
|---|---|
| Продуктова матрица | Пълна гама от едностенни/двустенни/двустенни/много{2}}стенни въглеродни нанотръби (SWCNT/DWCNT/MWCNT) |
| Чистота на продукта | По-голямо или равно на 98%, добра консистенция на партидата |
| Подготвителни процеси | Дъгов разряд, лазерна аблация, химическо отлагане на пари (CVD); овладяване на множество процеси |
| Ключови параметри | серия TF-210 и др.; размер на частиците 5-15 μm |
| Механични свойства | Теоретичен модул на Юнг до 5 TPa; якост 100 пъти по-голяма от тази на стоманата; тегло 1/6 от това на стоманата |
| Оформление на приложението | Седем стратегически направления, включително нови енергийни превозни средства, аерокосмически, железопътен транзит |
Екипът на университета Яншан успя да синтезира световен{0}}рекорден материал с „твърдост по Кнуп от 241 GPa“, разчитайки на високо{2}}качествени прекурсори на въглеродни нанотръби. С 20 години натрупване на въглеродни материали в индустрията, Tanfeng New Material осигурява стабилна и надеждна гаранция за суровини за такива авангардни-изследвания.
Заключение: Кое е по-трудно? Отговор - Диамант при нормални условия, въглеродни нанотръби под налягане
| състояние | по-трудно | Ключови данни |
|---|---|---|
| Нормално налягане и температура | Диамант | Твърдост по Викерс приблизително 100 GPa спрямо CNT композит 185 HV |
| High Pressure (>75 GPa) | Въглеродни нанотръби | Обемният модул 447 GPa надвишава диаманта; 241 GPa е четири пъти повече от диаманта |
Дебатът относно твърдостта между въглеродните нанотръби и диаманта в крайна сметка дава отговор, който е функция - функция на „налягането“. Приложете достатъчно натиск върху въглеродните нанотръби и те ще надминат диаманта, за да станат „Кралят на ултратвърдите материали“.
Това е върховният чар на въглеродните нанотръби: те могат да бъдат достатъчно „меки“, за да се свият в наномащабни жици и достатъчно „твърди“, за да надминат диаманта. От рекорда от 241 GPa на университета Yanshan до стабилната продукция на Tanfeng New Material от въглеродни нанотръби с чистота, по-голяма или равна на 98%, този „дебат за твърдостта“ преминава от академично изследване към индустриална трансформация.