Въглеродните нанотръби и диамантите имат сравнима твърдост, но дефинициите им за „твърди“ са различни. По отношение на твърдостта на надраскване (твърдост по Моос), диамантът е 10, най-високият сред естествените минерали. Въглеродните нанотръби нямат стандартна стойност на твърдост по Моос, но тяхната способност за надраскване е сравнима с тази на диаманта. По отношение на твърдостта на Викерс (устойчивост на вдлъбнатина), диамантът е 7140-15300 HV, докато въглеродните нанотръби са приблизително 1000-2000 HV. Изследванията обаче са синтезирали триизмерни ковалентно свързани въглеродни нанотръби с твърдост по Викерс от 82,8 GPa. По отношение на здравината, въглеродните нанотръби са 100 пъти по-здрави от стоманата и могат да бъдат разтегнати. Диамантите, макар и твърди, са много крехки и могат да бъдат натрошени от чук.Заключение:В твърдостта на надраскване, диамант ≈ въглеродна нанотръба; по якост на удар въглеродните нанотръби напълно надминават диаманта.
1. Първо, разберете „твърдостта“: това означава различни неща
Заключение:В ежедневието думата „твърд“ всъщност има две значения - твърдост на надраскване (устойчивост на износване) и устойчивост на удар. Диамантът печели само първия, но губи втория.
Преди да сравним въглеродните нанотръби и диамантите, е необходимо да изясним: какво всъщност означава „твърдост“?
Много хора погрешно вярват, че високата твърдост означава "не може да бъде счупена от чук". Това е погрешно схващане.
Професионално твърдостта се разделя основно на два вида:
| Тип твърдост | Метод на измерване | Общо тълкуване | Представителен материал |
|---|---|---|---|
| Твърдост на надраскване (твърдост по Моос) | Надраскайте минералите един срещу друг, за да видите кой оставя следа | "Устойчивост на износване" | Диамант, клас 10 (най-висок) |
| Твърдост по Викерс (твърдост на вдлъбнатина) | Натиснете диамантен индентор в повърхността на материала | "Устойчивост на деформация под налягане" | Диамант 7140-15300 HV |
| Издръжливост на удар | Удар с чук, тест за падане | "Устойчивост на удар" | Диамантът е много крехък и лесно се разбива |
Диамант:Твърдост по Моос 10, най-високата сред естествените минерали. Въпреки това, той има "октаедрично разцепване" -, когато се приложи сила в определена посока, дори малко количество може да доведе до разцепването му. Удрянето на диамант с чук ще го разбие на прах. Това не е защото твърдостта му е недостатъчна, а защото крехкостта му е висока.
Въглеродни нанотръби:Състои се от въглеродни атоми, свързани с C=C ковалентни връзки, една от най-стабилните химични връзки в природата. Тяхната твърдост по Моос няма стандартна стойност, но способността им за надраскване е "сравнима" с тази на диаманта. Ключовият момент е, че въглеродните нанотръби също "имат добра гъвкавост и могат да бъдат разтегнати".
За да използвам аналогия:Диамантът е като парче стъкло - повърхността му е изключително твърда и-устойчива на износване, но се разбива, когато се пусне на пода. Въглеродните нанотръби са като стоманена тел - те също могат да надраскат стъклото, но също така могат да се огъват, разтягат и са нечупливи.
2. Нека данните говорят: въглеродни нанотръби срещу диаманти - Кое е по-силно?
Заключение:По отношение на якостта на опън и специфичната якост (якост ÷ плътност), въглеродните нанотръби са „супер влакна“, на които диамантът не може да се мери. По отношение на твърдостта по Викерс, естествените въглеродни нанотръби не са толкова твърди, колкото диаманта, но изкуствено синтезираните разновидности са се доближили или дори са го надминали.
Нека да разгледаме директно сравнението на данните:
| Метрика за ефективност | Диамант | Въглеродни нанотръби (CNT) |
|---|---|---|
| Твърдост по Моос | 10 (най-високият сред естествените минерали) | „Сравним“ с диаманта |
| Твърдост по Викерс (HV) | 7140-15300 Hv | Приблизително 1000-2000 Hv (за единична тръба) |
| Якост на опън | ~2-3 GPa (по-ниски с дефекти) | 50-200 GPa |
| Модул на еластичност | ~1.0-1.2 TPa | 1-5 TPa |
| Плътност | 3,5 g/cm³ | 1,3-2,0 g/cm³ |
| Специфична якост (якост/плътност) | ~0,6-0,9 GPa·cm³/g | 25-100 GPa·cm³/g (100 пъти повече от стоманата) |
| Гъвкавост | Изключително крехък, има цепни равнини | Може да се разтяга и огъва |
| Устойчивост на удар | Може да се счупи с чук | Ултра{0}}висока якост, може да се използва в бронирани жилетки |
Няколко от тези данни си струва да бъдат проучени внимателно:
1. Якост на опън: Въглеродните нанотръби печелят напълно
Якостта на опън на въглеродните нанотръби е 50-200 GPa. Въпреки че диамантът е твърд, той не е добър в „устояването на напрежението“. За аналогия: Диамантът е като стъклена тухла - не може да бъде смачкан, но се чупи лесно при дърпане.
2. Еластичен модул: въглеродните нанотръби са малко по-добри
Еластичният модул измерва "способността да се съпротивлява на деформация". Диамантът е приблизително 1,0-1,2 TPa. Теоретичната стойност за въглеродните нанотръби може да достигне 5 TPa, като измерените стойности обикновено са в диапазона от 1-1,8 TPa. По отношение на "твърдостта" те са приблизително еквивалентни, като въглеродните нанотръби дори имат лек ръб.
3. Специфична сила: Въглеродните нанотръби доминират всичко
Специфична якост=якост ÷ плътност, измерваща „колко теглителна сила може да издържи единица тегло“. Специфичната якост на въглеродните нанотръби е 100 пъти по-голяма от тази на стоманата, достигайки 25-100 GPa·cm³/g. Това означава: ако сте направили въже от въглеродни нанотръби, то ще бъде 100 пъти по-здраво от стоманено въже със същото тегло. Ето защо научнофантастичният роман „Проблемът с трите тела“ използва „нано летящи остриета“, за да разреже гигантски кораби, и защо учените предвиждат използването на въглеродни нанотръби за изграждането на „космически асансьор“.
4. Свръх{1}}твърди въглеродни нанотръби: Нов научен пробив
Проучване от 2022 г. проектира три-измерна ковалентно свързана въглеродна нанотръба чрез теоретични изчисления. Неговата твърдост по Викерс достига 82,8 GPa, сравнима с кубичен борен нитрид. Друго проучване от същата година прогнозира два метастабилни ултра-твърди полимера от въглеродни нанотръби с твърдост по Викерс съответно 40,4 GPa и 37,1 GPa.
Тези данни показват, че въглеродните нанотръби не само могат да победят диаманта по отношение на издръжливостта, но учените също им позволяват да надминат диаманта по показателя "твърдост".
3. Истинско ли е "Нано летящото острие"? Колко силни са въглеродните нанотръби?
Заключение:„Нано летящото острие“ от „Проблемът с трите -тела“, което разрязва гигантски кораби, се основава на въглеродни нанотръби. В действителност теоретичната здравина на въглеродните нанотръби наистина е достатъчна, за да "реже метал като кал".
В научнофантастичния роман „Проблемът с трите-тела“ „нано летящо острие“ с дебелина само-на човешки косъм може да разреже гигантски кораб като тофу. Тази концепция не е измислена от нищото - нейният прототип е въглеродната нанотръба.
Какво могат да постигнат въглеродните нанотръби в действителност?
100 пъти по-здрав от стомана:Сноп от въглеродни нанотръби, по-тънки от човешки косъм, теоретично може да повдигне кола.
По-силен от всяко влакно:Въглеродните нанотръби са далеч по-добри от всички познати влакна както по сила, така и по издръжливост.
Космическият асансьор не е мечта:Учените смятат, че въглеродните нанотръби са най-добрият кандидат материал за направата на кабела на "космически асансьор".
Разбира се, настоящото техническо затруднение се крие в това как да се възпроизведе изключителната производителност на отделна въглеродна нанотръба в макроскопичен материал. Това е трудният проблем, за преодоляването на който работят учени от цял свят.
4. Как Tanfeng New Material произвежда този "супер материал"
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. трансформира отличните механични свойства на въглеродните нанотръби в продукти за масово-производство, извеждайки „супер материала“ извън лабораторията.
Теорията е едно нещо, но истинското прилагане на „суперсилите“ на въглеродните нанотръби към действителни продукти изисква компании, които владеят широко{0}}технологията 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 въглеродни нанотръби на прах, проводяща паста и силициеви -въглеродни анодни материали. Продуктите му покриват пълната гама от едно-стенни въглеродни нанотръби и много-стенни въглеродни нанотръби.
Какви са техническите му възможности?
Притежава повече от десет активни патента, свързани с въглеродни нанотръби.
Овладява различни подготвителни процеси, включително електродъгов разряд, лазерна аблация и химическо отлагане на пари (CVD).
Чистота на продукта По-голяма или равна на 98%; размерът на частиците на праха може да достигне 5-15 μm.
Месечното производство достига 200 тона, вече е в масово производство.
Къде се прилагат механичните свойства на въглеродните нанотръби?Теоретичният модул на Юнг на продуктите от въглеродни нанотръби на Tanfeng може да достигне 5 TPa, с якост приблизително 100 пъти по-голяма от тази на стоманата и плътност само 1/6 от тази на стоманата. Тези отлични механични свойства се използват в следните области:
| Поле за приложение | Специфична употреба | Роля на въглеродните нанотръби |
|---|---|---|
| Космонавтика | Конструктивни компоненти на фюзелажа и крилото | Ултра-висока якост + ултра-леко тегло |
| Железопътен транзит | Леки материали за корпуси на влакове | Намалява теглото, като запазва силата |
| Вятърна енергия | Гигантски остриета | Устойчивост на умора, дълъг експлоатационен живот |
| Усъвършенствани полимерни материали | Високо{0}}ефективни композити | Подобрява механичните свойства |
| Еластомери | Каучукови продукти с висока{0}}устойчивост-на износване | Подобрява здравината и устойчивостта на износване |
Компанията следва отблизо националната стратегия за развитие на нова енергия и нови материали, като нейният бизнес обхват се разпространява в цялата страна, стремейки се да стане „напреднал доставчик на материали и доставчик на технически услуги“.
Резюме от-изречение:Докато учените доказват в лаборатории, че въглеродните нанотръби са „супер влакна“, компании като Tanfeng New Material ги превръщат в продукти, които можете да закупите.
Заключение: Кое е по-трудно? Отговорът зависи от това как определяте „трудно“
| Ако питате за... | Отговорът е... |
|---|---|
| Кое е по-устойчиво-на износване (твърдост на надраскване) | Диамант ≈ въглеродна нанотръба (сравнимо); диамантът е най-високият сред естествените минерали |
| Кое е по-устойчиво на компресия (твърдост по Викерс) | Диамантът е по-висок, но ултра{0}}твърдите въглеродни нанотръби го доближиха или дори го надминаха |
| Кое е по-устойчиво на опън (якост на опън) | Въглеродната нанотръба печели напълно, десетки пъти по-здрава от диаманта |
| Кое е по-устойчиво на удар (твърдост) | Въглеродните нанотръби печелят напълно; диамантът се разбива с чук |
| Кое е по-силно като цяло (всеобхватна производителност) | Въглеродна нанотръба - твърда, здрава, здрава и лека |
Крайният извод е:
В традиционния смисъл на "устойчивост на износване", диамантените и въглеродните нанотръби имат своите предимства. Но по отношение на „всеобхватни механични свойства“ - особено якост на опън, издръжливост и специфична якост - въглеродните нанотръби са безспорен крал.
Диамантът е „най-твърдият естествен минерал на Земята“, но въглеродните нанотръби са „най-здравото влакно, създадено от хората“.
Както каза един учен по материали: "Диамантът е кралят на миналото; въглеродните нанотръби са крайъгълният камък на бъдещето."
И тъй като този бъдещ материал се произвежда масово-от Shandong Tanfeng, можем да кажем: ерата на въглеродните нанотръби настъпи.