Οι νανοσωλήνες άνθρακα και τα διαμάντια έχουν παρόμοια σκληρότητα, αλλά οι ορισμοί τους για το "σκληρό" είναι διαφορετικοί. Όσον αφορά τη σκληρότητα των γρατσουνιών (σκληρότητα Mohs), το διαμάντι είναι 10, το υψηλότερο μεταξύ των φυσικών ορυκτών. Οι νανοσωλήνες άνθρακα δεν έχουν τυπική τιμή σκληρότητας Mohs, αλλά η ικανότητα γρατσουνίσματος τους είναι συγκρίσιμη με αυτή του διαμαντιού. Όσον αφορά τη σκληρότητα Vickers (αντίσταση στην εσοχή), το διαμάντι είναι 7140-15300 HV, ενώ οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι περίπου 1000-2000 HV. Ωστόσο, η έρευνα έχει συνθέσει τρισδιάστατους ομοιοπολικά συνδεδεμένους νανοσωλήνες άνθρακα με σκληρότητα Vickers 82,8 GPa. Όσον αφορά τη σκληρότητα, οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι 100 φορές ισχυρότεροι από τον χάλυβα και μπορούν να τεντωθούν. Τα διαμάντια, αν και σκληρά, είναι πολύ εύθραυστα και μπορούν να θρυμματιστούν από ένα σφυρί.Σύναψη:Σε σκληρότητα γρατσουνιών, διαμάντι ≈ νανοσωλήνα άνθρακα. σε σκληρότητα κρούσης, ο νανοσωλήνας άνθρακα ξεπερνά εντελώς το διαμάντι.
1. Πρώτα, κατανοήστε τη "σκληρότητα": Σημαίνει διαφορετικά πράγματα
Σύναψη:Στην καθημερινή ζωή, η λέξη "σκληρό" έχει στην πραγματικότητα δύο έννοιες - σκληρότητα στις γρατσουνιές (αντοχή στη φθορά) και αντοχή σε κρούση. Το Diamond κερδίζει μόνο το πρώτο, αλλά χάνει το δεύτερο.
Πριν συγκρίνουμε νανοσωλήνες άνθρακα και διαμάντια, είναι απαραίτητο να διευκρινίσουμε: τι σημαίνει στην πραγματικότητα "σκληρότητα";
Πολλοί άνθρωποι πιστεύουν λανθασμένα ότι η υψηλή σκληρότητα σημαίνει ότι "δεν μπορεί να σπάσει από ένα σφυρί". Αυτή είναι μια λανθασμένη αντίληψη.
Επαγγελματικά, η σκληρότητα χωρίζεται κυρίως σε δύο τύπους:
| Τύπος Σκληρότητας | Μέθοδος Μέτρησης | Κοινή Ερμηνεία | Αντιπροσωπευτικό Υλικό |
|---|---|---|---|
| Σκληρότητα γρατσουνίσματος (Σκληρότητα Mohs) | Ξύστε τα ορυκτά μεταξύ τους για να δείτε ποια αφήνει σημάδι | "Αντίσταση στη φθορά" | Διαμάντι, βαθμός 10 (υψηλότερος) |
| Σκληρότητα Vickers (Σκληρότητα εσοχής) | Πιέστε μια διαμαντένια εσοχή στην επιφάνεια του υλικού | "Αντίσταση στην παραμόρφωση υπό πίεση" | Diamond 7140-15300 HV |
| Ανθεκτικότητα κρούσης | Χτύπημα σφυριού, δοκιμή πτώσης | "Αντίσταση στην κρούση" | Το διαμάντι είναι πολύ εύθραυστο και θρυμματίζεται εύκολα |
Διαμάντι:Σκληρότητα Mohs 10, η υψηλότερη μεταξύ των φυσικών ορυκτών. Ωστόσο, έχει "οκταεδρική διάσπαση" - όταν ασκείται δύναμη σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση, ακόμη και μια μικρή ποσότητα μπορεί να προκαλέσει τη διάσπασή του. Χτυπώντας ένα διαμάντι με ένα σφυρί θα το σπάσει σε σκόνη. Αυτό δεν συμβαίνει επειδή η σκληρότητά του είναι ανεπαρκής, αλλά επειδή η ευθραυστότητά του είναι υψηλή.
Νανοσωλήνες άνθρακα:Αποτελείται από άτομα άνθρακα που συνδέονται με ομοιοπολικούς δεσμούς C=C, έναν από τους πιο σταθερούς χημικούς δεσμούς στη φύση. Η σκληρότητά τους Mohs δεν έχει τυπική τιμή, αλλά η ικανότητα γρατσουνίσματος τους είναι «συγκρίσιμη» με αυτή του διαμαντιού. Το βασικό σημείο είναι ότι και οι νανοσωλήνες άνθρακα «έχουν καλή ευελιξία και μπορούν να τεντωθούν».
Για να χρησιμοποιήσετε μια αναλογία:Το διαμάντι είναι σαν ένα κομμάτι γυαλιού - η επιφάνεια είναι εξαιρετικά σκληρή και ανθεκτική στη φθορά-αλλά θρυμματίζεται όταν πέσει στο πάτωμα. Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι σαν ένα χαλύβδινο σύρμα - μπορούν επίσης να χαράξουν γυαλί, αλλά μπορούν επίσης να λυγίσουν, να τεντωθούν και να είναι άθραυστοι.
2. Αφήστε τα δεδομένα να μιλήσουν: Νανοσωλήνες άνθρακα εναντίον διαμαντιών - Ποιο είναι πιο δυνατό;
Σύναψη:Όσον αφορά την αντοχή σε εφελκυσμό και την ειδική αντοχή (αντοχή ÷ πυκνότητα), οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι μια «σούπερ ίνα» που το διαμάντι δεν μπορεί να ταιριάξει. Όσον αφορά τη σκληρότητα του Vickers, οι φυσικοί νανοσωλήνες άνθρακα δεν είναι τόσο σκληροί όσο το διαμάντι, αλλά οι ποικιλίες που έχουν συντεθεί τεχνητά το έχουν προσεγγίσει ή και το ξεπέρασαν.
Ας δούμε απευθείας τη σύγκριση δεδομένων:
| Μετρική απόδοσης | Διαμάντι | Νανοσωλήνα άνθρακα (CNT) |
|---|---|---|
| Σκληρότητα Mohs | 10 (το υψηλότερο μεταξύ των φυσικών ορυκτών) | «Συγκρίσιμο» με το διαμάντι |
| Σκληρότητα Vickers (HV) | 7140-15300 Hv | Περίπου 1000-2000 Hv (για ένα μόνο σωλήνα) |
| Αντοχή εφελκυσμού | ~2-3 GPa (χαμηλότερο με ελαττώματα) | 50-200 GPa |
| Μέτρο ελαστικότητας | ~1,0-1,2 TPa | 1-5 TPa |
| Πυκνότητα | 3,5 g/cm³ | 1,3-2,0 g/cm³ |
| Ειδική αντοχή (αντοχή/Πυκνότητα) | ~0,6-0,9 GPa·cm³/g | 25-100 GPa·cm³/g (100 φορές από αυτό του χάλυβα) |
| Ευκαμψία | Εξαιρετικά εύθραυστο, έχει επίπεδα διάσπασης | Μπορεί να τεντωθεί και να λυγίσει |
| Αντοχή σε κρούση | Μπορεί να θρυμματιστεί από ένα σφυρί | Εξαιρετικά-σκληρότητα, μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε αλεξίσφαιρα γιλέκα |
Αρκετά από αυτά τα σημεία δεδομένων αξίζει να εξεταστούν προσεκτικά:
1. Αντοχή σε εφελκυσμό: Οι νανοσωλήνες άνθρακα κερδίζουν πλήρως
Η αντοχή σε εφελκυσμό των νανοσωλήνων άνθρακα είναι 50-200 GPa. Αν και το διαμάντι είναι σκληρό, δεν είναι καλό στο να «αντιστέκεται στην ένταση». Για να χρησιμοποιήσετε μια αναλογία: Το διαμάντι είναι σαν ένα γυάλινο τούβλο - δεν μπορεί να συνθλιβεί, αλλά σπάει εύκολα όταν το τραβάτε.
2. Μέτρο ελαστικότητας: Οι νανοσωλήνες άνθρακα ελαφρώς καλύτεροι
Ο συντελεστής ελαστικότητας μετρά «την ικανότητα αντίστασης στην παραμόρφωση». Το διαμάντι είναι περίπου 1,0-1,2 TPa. Η θεωρητική τιμή για τους νανοσωλήνες άνθρακα μπορεί να φτάσει τα 5 TPa, με μετρούμενες τιμές συνήθως στην περιοχή από 1-1,8 TPa. Όσον αφορά την «ακαμψία», είναι περίπου ισοδύναμα, με τους νανοσωλήνες άνθρακα να έχουν ακόμη και μια ελαφριά άκρη.
3. Ειδική αντοχή: Οι νανοσωλήνες άνθρακα κυριαρχούν σε όλα
Ειδική αντοχή=αντοχή ÷ πυκνότητα, μέτρηση "πόση δύναμη έλξης μπορεί να αντέξει μια μονάδα βάρους." Η ειδική αντοχή των νανοσωλήνων άνθρακα είναι 100 φορές μεγαλύτερη από αυτή του χάλυβα, φτάνοντας τα 25-100 GPa·cm³/g. Αυτό σημαίνει: εάν κατασκευάζατε ένα σχοινί από νανοσωλήνες άνθρακα, θα ήταν 100 φορές ισχυρότερο από ένα ατσάλινο σχοινί του ίδιου βάρους. Αυτός είναι επίσης ο λόγος που το μυθιστόρημα επιστημονικής φαντασίας "The Three-Body Problem" χρησιμοποίησε "νανοιπτάμενες λεπίδες" για να κόψει γιγάντια πλοία και γιατί οι επιστήμονες οραματίζονται τη χρήση νανοσωλήνων άνθρακα για την κατασκευή ενός "διαστημικού ανελκυστήρα".
4. Εξαιρετικά-νανοσωλήνες άνθρακα: Μια νέα επιστημονική ανακάλυψη
Μια μελέτη του 2022 σχεδίασε έναν τρισδιάστατο νανοσωλήνα άνθρακα με ομοιοπολικό δεσμό μέσω θεωρητικών υπολογισμών. Η σκληρότητά του Vickers έφτασε τα 82,8 GPa, συγκρίσιμη με το κυβικό νιτρίδιο του βορίου. Μια άλλη μελέτη το ίδιο έτος προέβλεψε δύο μετασταθερά υπερ-πολυμερή νανοσωλήνων άνθρακα με σκληρότητα Vickers 40,4 GPa και 37,1 GPa, αντίστοιχα.
Αυτά τα δεδομένα δείχνουν ότι οι νανοσωλήνες άνθρακα όχι μόνο μπορούν να νικήσουν το διαμάντι από άποψη σκληρότητας, αλλά οι επιστήμονες τους επιτρέπουν επίσης να ξεπεράσουν το διαμάντι στον δείκτη «σκληρότητας».
3. Είναι πραγματικό το «Nano Flying Blade»; Πόσο ισχυροί είναι οι νανοσωλήνες άνθρακα;
Σύναψη:Η "νανοιπτάμενη λεπίδα" από το "The Three-Body Problem" που διασχίζει γιγάντια πλοία βασίζεται σε νανοσωλήνες άνθρακα. Στην πραγματικότητα, η θεωρητική αντοχή των νανοσωλήνων άνθρακα είναι πράγματι επαρκής για να «κόψει το μέταλλο σαν λάσπη».
Στο μυθιστόρημα επιστημονικής φαντασίας "The Three-Body Problem", μια "νανοιπτάμενη λεπίδα" μόνο το ένα-δέκατο του πάχους μιας ανθρώπινης τρίχας μπορεί να κόψει ένα γιγάντιο πλοίο σαν tofu. Αυτή η ιδέα δεν δημιουργήθηκε από τον αέρα - το πρωτότυπό της είναι ο νανοσωλήνας άνθρακα.
Τι μπορούν να επιτύχουν στην πραγματικότητα οι νανοσωλήνες άνθρακα;
100 φορές ισχυρότερο από το ατσάλι:Μια δέσμη νανοσωλήνων άνθρακα πιο λεπτή από μια ανθρώπινη τρίχα θα μπορούσε θεωρητικά να σηκώσει ένα αυτοκίνητο.
Πιο ισχυρή από οποιαδήποτε ίνα:Οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι πολύ ανώτεροι από οποιαδήποτε γνωστή ίνα τόσο σε αντοχή όσο και σε σκληρότητα.
Ο διαστημικός ανελκυστήρας δεν είναι όνειρο:Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι το καλύτερο υποψήφιο υλικό για την κατασκευή του καλωδίου ενός «διαστημικού ανελκυστήρα».
Φυσικά, η τρέχουσα τεχνική συμφόρηση έγκειται στον τρόπο αναπαραγωγής της εξαιρετικής απόδοσης ενός μεμονωμένου νανοσωλήνα άνθρακα σε ένα μακροσκοπικό υλικό. Αυτό είναι το δύσκολο πρόβλημα που εργάζονται για να ξεπεράσουν οι επιστήμονες σε όλο τον κόσμο.
4. Πώς το νέο υλικό Tanfeng παράγει αυτό το "σούπερ υλικό"
Η Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. μετατρέπει τις εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες των νανοσωλήνων άνθρακα σε προϊόντα που μπορούν να παραχθούν μαζικά, βγάζοντας το «σούπερ υλικό» από το εργαστήριο.
Η θεωρία είναι ένα πράγμα, αλλά η πραγματική εφαρμογή των «υπερδυνάμεων» των νανοσωλήνων άνθρακα σε πραγματικά προϊόντα απαιτεί εταιρείες που κατέχουν την τεχνολογία παραγωγής μεγάλης-κλίμακας.
Η Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. είναι ακριβώς μια τέτοια εταιρεία.
Τι κάνει;Η εταιρεία επικεντρώνεται στην Ε&Α και στην παραγωγή σκόνης νανοσωλήνων άνθρακα, αγώγιμου πολτού και υλικών ανόδου από πυρίτιο-. Τα προϊόντα της καλύπτουν την πλήρη γκάμα νανοσωλήνων άνθρακα με ένα-τοίχωμα και νανοσωλήνων άνθρακα πολλαπλών- τοιχωμάτων.
Ποια είναι η τεχνική του ικανότητα;
Κατέχει περισσότερα από δέκα ενεργά διπλώματα ευρεσιτεχνίας που σχετίζονται με νανοσωλήνες άνθρακα.
Κατακτά διάφορες διαδικασίες προετοιμασίας, συμπεριλαμβανομένης της εκκένωσης τόξου, της αφαίρεσης με λέιζερ και της εναπόθεσης χημικών ατμών (CVD).
Καθαρότητα προϊόντος Μεγαλύτερη ή ίση με 98%. το μέγεθος σωματιδίων σκόνης μπορεί να φτάσει τα 5-15 μm.
Η μηνιαία παραγωγή φτάνει τους 200 τόνους, ήδη σε μαζική παραγωγή.
Πού εφαρμόζει τις μηχανικές ιδιότητες των νανοσωλήνων άνθρακα;Το θεωρητικό μέτρο του Young για τα προϊόντα νανοσωλήνων άνθρακα της Tanfeng μπορεί να φτάσει τα 5 TPa, με αντοχή περίπου 100 φορές μεγαλύτερη από αυτή του χάλυβα και πυκνότητα μόλις 1/6 αυτής του χάλυβα. Αυτές οι εξαιρετικές μηχανικές ιδιότητες χρησιμοποιούνται στους ακόλουθους τομείς:
| Πεδίο εφαρμογής | Ειδική Χρήση | Ο ρόλος των νανοσωλήνων άνθρακα |
|---|---|---|
| Αεροδιαστημική | Δομικά στοιχεία ατράκτου και πτερυγίων | Εξαιρετικά-υψηλή αντοχή + εξαιρετικά-ελαφρύ βάρος |
| Σιδηροδρομική Διαμετακόμιση | Ελαφριά υλικά για αμαξώματα τρένων | Μειώνει το βάρος ενώ διατηρεί τη δύναμη |
| Αιολική ενέργεια | Γιγαντιαίες λεπίδες | Αντοχή στην κόπωση, μεγάλη διάρκεια ζωής |
| Προηγμένα Πολυμερή Υλικά | Σύνθετα υλικά υψηλής απόδοσης- | Ενισχύει τις μηχανικές ιδιότητες |
| Ελαστομερή | Προϊόντα από καουτσούκ υψηλής-αντοχής στη φθορά- | Βελτιώνει τη δύναμη και την αντοχή στη φθορά |
Η εταιρεία ακολουθεί στενά την εθνική στρατηγική ανάπτυξης για νέα ενέργεια και νέα υλικά, με το επιχειρηματικό της εύρος να ακτινοβολεί πανελλαδικά, φιλοδοξώντας να γίνει «προηγμένος πάροχος υλικών και πάροχος τεχνικών υπηρεσιών».
Μία-περίληψη πρότασης:Ενώ οι επιστήμονες αποδεικνύουν στα εργαστήρια ότι οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι μια «σούπερ ίνα», εταιρείες όπως το Tanfeng New Material τους μετατρέπουν σε προϊόντα που μπορείτε να αγοράσετε.
Συμπέρασμα: Ποιο είναι πιο δύσκολο; Η απάντηση εξαρτάται από το πώς ορίζετε το "σκληρό"
| Αν ρωτάτε για... | Η απάντηση είναι... |
|---|---|
| Ποιο είναι πιο ανθεκτικό στη φθορά (σκληρότητα στις γρατσουνιές)- | Διαμάντι ≈ Νανοσωλήνας άνθρακα (συγκρίσιμος); Το διαμάντι είναι το υψηλότερο μεταξύ των φυσικών ορυκτών |
| Ποιο είναι πιο ανθεκτικό στη συμπίεση (σκληρότητα Vickers) | Το διαμάντι είναι υψηλότερο, αλλά οι εξαιρετικά-νανοσωλήνες άνθρακα το έχουν προσεγγίσει ή και το ξεπέρασαν |
| Ποιο είναι πιο ανθεκτικό στην τάση (αντοχή σε εφελκυσμό) | Ο νανοσωλήνας άνθρακα κερδίζει εντελώς, δεκάδες φορές ισχυρότερος από το διαμάντι |
| Ποιο είναι πιο ανθεκτικό στην κρούση (σκληρότητα) | Ο νανοσωλήνας άνθρακα κερδίζει εντελώς. διαμάντι θρυμματίζεται με ένα σφυρί |
| Ποιο είναι γενικά ισχυρότερο (περιεκτική απόδοση) | Νανοσωλήνας άνθρακα - σκληρός, ισχυρός, σκληρός και ελαφρύς |
Το τελικό συμπέρασμα είναι:
Με την παραδοσιακή έννοια της «αντοχής στη φθορά», οι νανοσωλήνες διαμαντιού και άνθρακα έχουν τα πλεονεκτήματά τους. Ωστόσο, όσον αφορά τις "συνολικές μηχανικές ιδιότητες" - ιδιαίτερα η αντοχή σε εφελκυσμό, η σκληρότητα και η ειδική αντοχή - οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι ο αδιαμφισβήτητος βασιλιάς.
Το διαμάντι είναι το «σκληρότερο φυσικό ορυκτό στη Γη», αλλά οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι η «ισχυρότερη ίνα που κατασκευάζεται από τον άνθρωπο».
Όπως είπε ένας επιστήμονας υλικών: «Το διαμάντι είναι ο βασιλιάς του παρελθόντος· οι νανοσωλήνες άνθρακα είναι ο ακρογωνιαίος λίθος του μέλλοντος».
Και καθώς αυτό το μελλοντικό υλικό παράγεται μαζικά- από τον Shandong Tanfeng, μπορούμε να πούμε: η εποχή των νανοσωλήνων άνθρακα έφτασε.