Τι είναι πιο σκληρό, νανοσωλήνες άνθρακα ή διαμάντι;

Τι είναι πιο «σκληρό», οι νανοσωλήνες άνθρακα (CNTs) ή το διαμάντι; Η απάντηση εξαρτάται από το αν ασκείτε πίεση σε αυτό. Όσον αφορά τη σκληρότητα Mohs, τα δύο είναι συγκρίσιμα - η σκληρότητα των νανοσωλήνων άνθρακα είναι συγκρίσιμη με αυτή του διαμαντιού. Όσον αφορά τη σκληρότητα Vickers, οι νανοσωλήνες άνθρακα φυσικής κατάστασης (185,1 HV) είναι πολύ χαμηλότεροι από το διαμάντι (της τάξης των 10.000 HV). Αλλά ένα θαύμα συμβαίνει όταν οι νανοσωλήνες άνθρακα συμπιέζονται ψυχρά: μπορούν να σχηματίσουν μια εξαιρετικά σκληρή φάση με συντελεστή όγκου 447 GPa, με την τιμή σκληρότητας να εκτινάσσεται από το αρχικό 185,1 HV στα 241 GPa (24.100 HV), που είναι 4 φορές μεγαλύτερη από αυτή του ακατέργαστου διαμαντιού (περίπου 60 GPa). Αυτό σημαίνει: υπό κανονικές συνθήκες, το διαμάντι είναι πιο σκληρό. Μετά από επεξεργασία υψηλής{15}}πίεσης, οι νανοσωλήνες άνθρακα μπορούν να ξεπεράσουν το διαμάντι και να γίνουν ο "Βασιλιάς των Υπερσκληρών Υλικών". Το Shandong Tanfeng New Material παρέχει νανοσωλήνες άνθρακα-πολυ{18}}με πολλά τοιχώματα/μονά τοιχώματα-υψηλής καθαρότητας, που χρησιμεύουν ως ιδανική πρώτη ύλη για έρευνα τόσο υψηλής απόδοσης.

1. Πρώτα Ορίστε το Πρότυπο: Δύο Τύποι «Σκληρότητας», Δύο Απαντήσεις

Σύναψη:Τι είναι «σκληρότερο», νανοσωλήνες άνθρακα ή διαμάντι; Εξαρτάται από τον τύπο σκληρότητας που μετράτε - Η σκληρότητα Mohs, η σκληρότητα Vickers και ο συντελεστής όγκου μετά τον μετασχηματισμό φάσης εξαιρετικά-υψηλής πίεσης δίνουν εντελώς διαφορετικές απαντήσεις.

Ο όρος «σκληρότητα» στην επιστήμη των υλικών έχει τουλάχιστον τρεις έννοιες. Διαφορετικές μέθοδοι μέτρησης και διαφορετικές συνθήκες δίνουν εντελώς διαφορετικά συμπεράσματα:

Η βασική διαφορά είναι:Η μετρούμενη τιμή σκληρότητας των νανοσωλήνων άνθρακα στη φυσική τους κατάσταση είναι σχετικά χαμηλή (ειδικά σε σύνθετα υλικά), αλλά μόλις υποβληθούν σε ακραία συμπίεση, μεταμορφώνονται σε μια εξαιρετικά σκληρή φάση που είναι σκληρότερη από το διαμάντι.

Σημείωση: Η σκληρότητα Vickers ενός σύνθετου υλικού νανοσωλήνων άνθρακα (όπως το κράμα αλουμινίου CNT/2024) είναι περίπου 185 HV. Αυτή η τιμή αντανακλά τη συνολική σκληρότητα του σύνθετου υλικού, όχι τη σκληρότητα των ίδιων των νανοσωλήνων άνθρακα. Η έρευνα σχετικά με τη σκληρότητα μεμονωμένων νανοσωλήνων άνθρακα διεξάγεται κυρίως στον τομέα του μετασχηματισμού φάσης υπέρ-υψηλής πίεσης.

2. Αντιπαράθεση Κανονικής Κατάστασης: Ισοπαλία Σκληρότητας Mohs, Νίκη Σκληρότητας Vickers για το Διαμάντι

Σύναψη:Υπό «κανονικές» συνθήκες (κανονική πίεση, θερμοκρασία δωματίου) που συναντάμε στην καθημερινή ζωή, το διαμάντι είναι ο απόλυτος βασιλιάς της σκληρότητας. Η απόδοση σκληρότητας των νανοσωλήνων άνθρακα εξαρτάται κυρίως από τη σύνθετη μήτρα.

2.1 Σκληρότητα Mohs: Λαιμός και λαιμός

Από την άποψη του «αμοιβαίου γρατσουνίσματος», η σκληρότητα των νανοσωλήνων άνθρακα είναι «συγκρίσιμη» με αυτή του διαμαντιού.

Οι νανοσωλήνες άνθρακα αποτελούνται από άτομα άνθρακα που συνδέονται με ομοιοπολικούς δεσμούς sp² σχηματίζοντας μια εξαμελή-δομή δακτυλίου, ενώ το διαμάντι αποτελείται από ένα τρισδιάστατο πλαίσιο ομοιοπολικών δεσμών sp³. Και οι δύο είναι άνθρακας-δεσμοί άνθρακα - ένας από τους πιο σταθερούς χημικούς δεσμούς στη φύση. Επομένως, όταν γρατσουνίζεται ο ένας τον άλλον, κανένα δεν έχει σαφές πλεονέκτημα έναντι του άλλου.

Με απλούς όρους:Το διαμάντι μπορεί να χαράξει το γυαλί και οι νανοσωλήνες άνθρακα μπορούν επίσης να γρατσουνίσουν το γυαλί - σε αυτή τη διάσταση, το δέσιμο των δύο.

2.2 Σκληρότητα Vickers: Κυριαρχεί το διαμάντι

Η σκληρότητα του Vickers μετριέται πιέζοντας ένα διαμάντι στην επιφάνεια του υλικού και μετρώντας το βάθος της εσοχής. Σε αυτή τη δοκιμή, οι συμβατικοί νανοσωλήνες άνθρακα είναι πολύ κατώτεροι από το διαμάντι:

Η διαφορά είναι περίπου 50 φορές.

Αλλά εδώ είναι ένα βασικό σημείο: Το 185 HV μετρά τον «νανοσωλήνα άνθρακα + κράμα αλουμινίου» ολόκληρη η έρευνα - που αντικατοπτρίζει πραγματικά τη σκληρότητα των ίδιων των νανοσωλήνων άνθρακα, πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας ένα άλλο σύστημα «υπερ{3}}υψηλής πίεσης» στο εργαστήριο.

3. Η στιγμή του "μετασχηματισμού": Εφαρμόστε πίεση σε νανοσωλήνες άνθρακα, γίνονται πιο σκληροί από το διαμάντι

Σύναψη:Όταν οι νανοσωλήνες άνθρακα συμπιέζονται ψυχρά σε πάνω από περίπου 75 GPa (750.000 ατμόσφαιρες), μετατρέπονται σε μια νέα υπερσκληρή φάση άνθρακα με μέτρο όγκου μεγαλύτερο από αυτό του διαμαντιού.

Αυτό είναι το πραγματικό «ατού» των νανοσωλήνων άνθρακα.

3.1 Πείραμα ψυχρής συμπίεσης: 75 GPa ενεργοποιεί τη μετάβαση φάσης

Το 2004, μια ομάδα με επικεφαλής τον Zhongwu Wang στο Πανεπιστήμιο της Αριζόνα δημοσίευσε μια μελέτη ορόσημο στοPNAS. Τοποθέτησαν νανοσωλήνες άνθρακα με πολλά τοιχώματα σε μια κυψέλη άκμονα διαμαντιού και τους πίεσαν σε περίπου 100 GPa (περίπου 1 εκατομμύριο ατμόσφαιρες). Βρήκαν ότι σε περίπου 75 GPa, οι νανοσωλήνες άνθρακα μετατράπηκαν σε μια εντελώς νέα εξαγωνική φάση άνθρακα.

Βασικά δεδομένα:

Ο συντελεστής όγκου είναι ένας δείκτης της "αντίστασης στη συμπίεση" ενός υλικού - όσο μεγαλύτερος είναι ο συντελεστής όγκου, τόσο πιο δύσκολο είναι να συμπιεστεί το υλικό υπό πίεση. Η φάση υψηλής-πίεσης των νανοσωλήνων άνθρακα ξεπερνά το διαμάντι σε αυτόν τον δείκτη.

3.2 Πακέτα Nanotwinned Diamond: Ρεκόρ-Σπάζοντας 241 GPa

Το 2021, μια ομάδα με επικεφαλής τον καθηγητή Zhao Zhisheng και τον καθηγητή Xu Bo στο Πανεπιστήμιο Yanshan δημοσίευσε έρευνα στοPNAS. Χρησιμοποιώντας υψηλά προσανατολισμένες μεμβράνες νανοσωλήνων άνθρακα πολλαπλών τοιχωμάτων ως πρόδρομες ουσίες, συνέθεσαν διαμάντι με προτιμησιακά προσανατολισμένες δέσμες νανοσωλήνων μέσω επεξεργασίας υψηλής-πίεσης υψηλής-θερμοκρασίας (HPHT).

Τα πιο εντυπωσιακά αποτελέσματα:

Τι σημαίνει 241 GPa; Η σκληρότητα Knoop του ακατέργαστου διαμαντιού (φυσικό διαμάντι) είναι συνήθως μεταξύ 60-100 GPa. Αυτό σημαίνει ότι το «νανοδυαδικό διαμάντι» που μετασχηματίζεται από νανοσωλήνες άνθρακα είναι 2-4 φορές πιο σκληρό από το συνηθισμένο διαμάντι.

Το πείραμα διαπίστωσε επίσης ότι αυτό το υλικό εμφανίζει σημαντική μηχανική ανισοτροπία: η σκληρότητα ποικίλλει ανάλογα με τον προσανατολισμό των νανοδικτυωμένων δεσμίδων, με την υψηλότερη σκληρότητα να επιτυγχάνεται όταν η εσοχή είναι κάθετη στις δίδυμες δέσμες.

4. Το "Θεωρητικό ανώτατο όριο": Τρισδιάστατοι-Ομοιοπολικοί νανοσωλήνες άνθρακα

Σύναψη:Θεωρητικοί υπολογισμοί προβλέπουν ότι η σκληρότητα Vickers ορισμένων τριών-πολυμερών ομοιοπολικών νανοσωλήνων άνθρακα θα μπορούσε να φτάσει πάνω από 40 GPa, πέφτοντας μεταξύ κυβικού νιτριδίου βορίου και διαμαντιού.

Εκτός από την πειραματική σύνθεση, οι επιστήμονες έχουν χρησιμοποιήσει πρώτους υπολογισμούς-αρχών για να προβλέψουν υπερσκληρά πολυμερή νανοσωλήνων άνθρακα που δεν έχουν ακόμη συντεθεί.

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 (>Το 40 GPa θεωρείται γενικά το κατώφλι για εξαιρετικά σκληρά υλικά).

Αν και προς το παρόν είναι ακόμη στο θεωρητικό στάδιο, αυτές οι προβλέψεις υποδηλώνουν ότι η δυνατότητα νανοσωλήνων άνθρακα να μετατραπούν σε τρισδιάστατες-υπερσκληρές δομές υπερβαίνει κατά πολύ την τρέχουσα κατανόηση.

5. Ένας πίνακας για να καταλάβετε: Ποιο είναι το "σκληρότερο";

Η τελική απάντηση:

Υπό κανονικές συνθήκες:Το διαμάντι είναι «σκληρότερο». Σε κανονικές δοκιμές κατάστασης, η σκληρότητα του διαμαντιού Vickers υπερβαίνει κατά πολύ αυτή των σύνθετων υλικών νανοσωλήνων άνθρακα.

Υπό πίεση:Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι «σκληρότεροι». Όταν οι νανοσωλήνες άνθρακα συμπιέζονται πάνω από 75 GPa, μετατρέπονται σε ένα εξαιρετικά σκληρό υλικό που είναι πιο σκληρό από το διαμάντι - είτε όσον αφορά το μέτρο όγκου (447 έναντι 440 GPa) είτε τη σκληρότητα Vickers (241 έναντι ~100 GPa), ξεπερνούν συνολικά το διαμάντι.

Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι σαν τον "θεό του πολέμου" στον κόσμο των υλικών - που εμφανίζονται συνηθισμένοι υπό κανονικές συνθήκες, αλλά μόλις ανοίξει το "τρίτο μάτι" τους (ασκείται ακραία πίεση), η σκληρότητά τους ξεπερνά αμέσως το διαμάντι για να γίνει ο "Βασιλιάς των Υπερσκληρών Υλικών".

6. Νέο υλικό Shandong Tanfeng: Η «Βάση Πρώτων Υλών» της βιομηχανίας νανοσωλήνων άνθρακα

Η Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. παρέχει υψηλή-καθαρότητα (Μεγαλύτερη ή ίση με 98%) σε σκόνη νανοσωλήνων άνθρακα με πολλαπλά{4}τοιχώματα/μονά τοιχώματα-που χρησιμεύει ως ιδανική πρώτη ύλη για έρευνα αιχμής, όπως μεταβάσεις φάσης υψηλής{{7}πίεσης.

Είτε πρόκειται για το ρεκόρ του Πανεπιστημίου Yanshan-που σπάει την έρευνα 241 GPa είτε για την έρευνα μετάβασης φάσης ψυχρής συμπίεσης 75 GPa του Πανεπιστημίου της Αριζόνα, το σημείο εκκίνησης και για τα δύο είναι οι πρώτες ύλες νανοσωλήνων άνθρακα υψηλής ποιότητας-.

Η Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. είναι ακριβώς η «πηγή δύναμης» σε αυτή τη διαδρομή από την «πρώτη ύλη στην υπερσκληρή».

Η ομάδα του Πανεπιστημίου Yanshan μπόρεσε να συνθέσει το παγκόσμιο-υλικό ρεκόρ με "σκληρότητα Knoop 241 GPa" βασιζόμενη σε υψηλής ποιότητας-προδρόμους νανοσωλήνων άνθρακα. Με 20 χρόνια βιομηχανικής συσσώρευσης σε υλικά άνθρακα, το Tanfeng New Material παρέχει σταθερή και αξιόπιστη διασφάλιση πρώτων υλών για μια τέτοια έρευνα αιχμής-.

Συμπέρασμα: Ποιο είναι πιο δύσκολο; Απαντήστε - Διαμάντι υπό κανονικές συνθήκες, νανοσωλήνες άνθρακα υπό πίεση

Η συζήτηση για τη σκληρότητα μεταξύ νανοσωλήνων άνθρακα και διαμαντιού δίνει τελικά μια απάντηση που είναι συνάρτηση - συνάρτηση "πίεσης". Εφαρμόστε αρκετή πίεση στους νανοσωλήνες άνθρακα και θα ξεπεράσουν το διαμάντι για να γίνουν ο «Βασιλιάς των Υπερσκληρών Υλικών».

Αυτή είναι η απόλυτη γοητεία των νανοσωλήνων άνθρακα: μπορούν να είναι αρκετά "μαλακοί" ώστε να τυλίξουν σε σύρματα νανοκλίμακας και αρκετά "σκληροί" ώστε να ξεπεράσουν το διαμάντι. Από το ρεκόρ 241 GPa του Πανεπιστημίου Yanshan μέχρι τη σταθερή παραγωγή νανοσωλήνων άνθρακα μεγαλύτερης ή ίσης με καθαρότητα 98% του νέου υλικού Tanfeng, αυτή η «συζήτηση σκληρότητας» μετακινείται από την ακαδημαϊκή εξερεύνηση στον βιομηχανικό μετασχηματισμό.