Melyik a "keményebb", a szén nanocsövek (CNT) vagy a gyémánt? A válasz attól függ, hogy nyomást gyakorol-e rá. Ami a Mohs-keménységet illeti, a kettő összehasonlítható - a szén nanocsövek keménysége a gyémánt keménységéhez hasonlítható. A Vickers-keménység tekintetében a természetes állapotú szén nanocsövek (185,1 HV) jóval alacsonyabbak, mint a gyémánt (nagyságrendileg 10 000 HV). De csoda történik, ha a szén nanocsöveket hidegen sajtolják: ultrakemény fázist alkothatnak 447 GPa ömlesztett modulussal, amelynek keménységi értéke az eredeti 185,1 HV-ról 241 GPa-ra (24 100 HV) szárnyal, ami négyszerese a nyers gyémántnak (körülbelül 60 GPa). Ez azt jelenti: normál körülmények között a gyémánt keményebb; a nagynyomású kezelést követően a szén nanocsövek felülmúlhatják a gyémántokat, és az „ultrakemény anyagok királyává” válhatnak. A Shandong Tanfeng New Material nagy-tisztaságú több-falú/egyfalú-szén nanocsöveket kínál, amelyek ideális nyersanyagként szolgálnak az ilyen nagy teljesítményű{20}}kutatásokhoz.
1. Először határozza meg a szabványt: kétféle „keménység”, két válasz
Következtetés:Melyik a "keményebb", a szén nanocsövek vagy a gyémánt? Attól függ, hogy milyen típusú keménységet mér - Mohs-keménység, Vickers-keménység és ömlesztett modulus az ultra-nagynyomású fázistranszformáció után, teljesen más válaszokat adnak.
Az anyagtudományban a „keménység” kifejezésnek legalább három jelentése van. A különböző mérési módszerek és körülmények teljesen eltérő következtetéseket adnak:
| Keménység típusa | Mérési módszer | Gyémánt tipikus érték | Carbon nanocső tipikus érték |
|---|---|---|---|
| Mohs-keménység | Karcolja egymáshoz az ásványokat | 10 (legmagasabb) | A gyémánthoz hasonlítható |
| Vickers keménység (normál állapot) | Gyémánt behúzó benyomás | 10 000 HV nagyságrendű (kb. 100 GPa) | 185,1 HV (kompozit anyag) |
| Vickers-keménység (nagy{0}}nyomású fázis) | Hideg kompresszió után mérve | Körülbelül 100-150 GPa | 241 GPa (nanotwinned gyémánt kötegek CNT-ből) |
| Tömeges modulus | Tömörítéssel szembeni ellenállás | Körülbelül 440-442 GPa | Hideg sűrített fázis 447 GPa |
A legfontosabb különbség a következő:A szén nanocsövek mért keménységi értéke természetes állapotukban viszonylag alacsony (főleg kompozitokban), de miután extrém összenyomásnak vetik alá őket, ultrakemény fázissá alakulnak át, amely keményebb, mint a gyémánt.
Megjegyzés: Egy szén nanocső kompozit anyag (például CNT/2024 alumíniumötvözet) Vickers-keménysége körülbelül 185 HV. Ez az érték a kompozit általános keménységét tükrözi, nem maguknak a szén nanocsöveknek a keménységét. Az egyes szén nanocsövek keménységével kapcsolatos kutatások főként az ultra-nagynyomású fázisátalakítások területén zajlanak.
2. Normál állapotú leszámolás: Mohs Hardness Tie, Vickers Hardness Diamond nyer
Következtetés:„Normál” körülmények között (normál nyomás, szobahőmérséklet), amellyel a mindennapi életben találkozunk, a gyémánt a keménység abszolút királya. A szén nanocsövek keménységi teljesítménye elsősorban a kompozit mátrixtól függ.
2,1 Mohs-keménység: nyak és nyak
A "kölcsönös karcolás" szempontjából a szén nanocsövek keménysége "összehasonlítható" a gyémánt keménységével.
A szén nanocsövek szénatomokból állnak, amelyeket sp² kovalens kötések kapcsolnak össze, és hattagú gyűrűs szerkezetet alkotnak, míg a gyémánt sp³ kovalens kötésekből álló háromdimenziós keretből áll. Mindkettő szén-szénkötés, - a természet egyik legstabilabb kémiai kötése. Ezért egymás karmolásánál egyiknek sincs egyértelmű előnye a másikkal szemben.
Laikus kifejezéssel:A gyémánt megkarcolhatja az üveget, és a szén nanocsövek is megkarcolhatják az üveget - ezen a dimenzión, a kettő összefügg.
2.2 Vickers keménység: A gyémánt dominál
A Vickers keménységet úgy mérik, hogy egy gyémánt bemélyedést nyomnak az anyag felületébe, és megmérik a bemélyedés mélységét. Ebben a tesztben a hagyományos szén nanocsövek sokkal rosszabbak, mint a gyémánt:
| Anyag | Vickers keménység |
|---|---|
| Gyémánt | Körülbelül 100 GPa magnitúdó (10 000 HV) |
| Szén nanocső/alumínium ötvözet kompozit | Maximum kb. 185,1 HV szilárd oldás + öregítési kezelés után |
A különbség körülbelül 50-szeres.
De itt van egy kulcsfontosságú pont: a 185 HV a "szén nanocső + alumíniumötvözet" mérési eredményeit a teljes - kutatás, amely valóban tükrözi a szén nanocsövek keménységét, egy másik "ultra-nagy nyomású" rendszerrel végzi a laboratóriumban.
3. Az „átalakulás” pillanata: nyomást gyakorolni a szén nanocsövekre, keményebbek lesznek, mint a gyémánt
Következtetés:Ha a szén nanocsöveket hidegen sűrítik körülbelül 75 GPa (750 000 atmoszféra) fölé, akkor új, ultrakemény szénfázissá alakulnak át, amelynek térfogati modulusa meghaladja a gyémánt modulusát.
Ez a szén nanocsövek igazi "ütőkártyája".
3.1 Hideg tömörítési kísérlet: 75 GPa váltja ki a fázisátmenetet
2004-ben az Arizonai Egyetem Zhongwu Wang által vezetett csapata mérföldkőnek számító tanulmányt publikált.PNAS. Többfalú szén nanocsöveket helyeztek el egy gyémánt üllőcellában, és körülbelül 100 GPa (körülbelül 1 millió atmoszféra) nyomásra helyezték őket. Azt találták, hogy körülbelül 75 GPa-nál a szén nanocsövek egy teljesen új, hatszögletű szénfázissá alakultak át.
Főbb adatok:
| Paraméter | Érték |
|---|---|
| Tömeges modulus | 447 GPa (fix K′=4 mellett), meghaladja a gyémánt körülbelül 440-442 GPa értékét |
| Sűrűség | 3,6±0,2 g/cm³, a gyémánthoz hasonlítható |
| Helyrehozhatóság | Ez a fázis a környezeti környezetben megmaradt a nyomás leengedése után |
Az ömlesztett modulus az anyag "sűrítéssel szembeni ellenállásának" mutatója - minél nagyobb a térfogati modulus, annál nehezebb az anyag nyomás alatt összenyomni. A szén nanocsövek nagynyomású fázisa ebben az indikátorban felülmúlja a gyémántot.
3.2 Nanotwinned gyémánt csomagok: rekord-241 GPa
2021-ben a Yanshan Egyetem Zhao Zhisheng professzor és Xu Bo professzor által vezetett csapata kutatást publikáltPNAS. Erősen orientált több-falú szén-nanocső filmeket prekurzorként használva gyémántot szintetizáltak előnyösen orientált nano-ikerkötegekből nagy-nyomású magas{3}}hőmérsékletű (HPHT) kezeléssel.
A legmegdöbbentőbb eredmények:
| Paraméter | Érték |
|---|---|
| Knoop keménység | Akár 241 GPa, több mint 20%-kal magasabb, mint az előző világrekord |
Mit jelent a 241 GPa? A nyers gyémánt (természetes gyémánt) Knoop keménysége jellemzően 60-100 GPa között van. Ez azt jelenti, hogy a szén nanocsövekből átalakított "nanotwind bundle gyémánt" 2-4-szer keményebb, mint a közönséges gyémánt.
A kísérlet azt is megállapította, hogy ez az anyag jelentős mechanikai anizotrópiát mutat: a keménység a nanoikerkötegek orientációjától függően változik, és a legnagyobb keménységet akkor érik el, ha a behúzás merőleges az ikerkötegre.
4. Az „Elméleti plafon”: három-dimenziós kovalens szén nanocsövek
Következtetés:Elméleti számítások azt jósolják, hogy bizonyos háromdimenziós kovalens szén-nanocső polimerek Vickers-keménysége elérheti a 40 GPa-t, ami a köbös bór-nitrid és a gyémánt közé esik.
A kísérleti szintézis mellett a tudósok első{0}}elvű számításokat alkalmaztak a még nem szintetizált, ultrakemény szén nanocső polimerek előrejelzésére.
| Struktúra neve | Vickers keménység | A sáv jellemzői |
|---|---|---|
| CNP{0}}oC36 | 40,4 GPa | Közvetett sávszélességű félvezető (1,29 eV) |
| CNP{0}}oC40 | 37,1 GPa | Közvetett sávszélességű félvezető (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 (>A 40 GPa-t általában az ultrakemény anyagok küszöbének tekintik).
Bár egyelőre még elméleti stádiumban vannak, ezek az előrejelzések azt sugallják, hogy a szén nanocsövek háromdimenziós ultrakemény szerkezetekké való átalakulásának lehetősége messze meghaladja a jelenlegi ismereteket.
5. Egy táblázat a megértéshez: melyik a "nehezebb"?
| Tesztállapot / állapot | Gyémánt | Carbon nanocső | Győztes |
|---|---|---|---|
| Mohs-keménység (karcolás) | 10 | A gyémánthoz hasonlítható | Nyakkendő |
| Normál állapotú Vickers keménység | ~100 GPa | 185 HV (kompozit anyag) | Gyémánt |
| Tömeges modulus hideg kompresszió után | ~440 GPa | 447 GPa | Carbon nanocső |
| Nagy{0}}nyomású Vickers-keménység | ~100 GPa | 241 GPa | Carbon nanocső |
A végső válasz:
Normál körülmények között:A gyémánt "keményebb". A normál állapotú tesztek során a gyémánt Vickers-keménysége messze meghaladja a szén nanocső kompozit anyagokét.
Nyomás alatt:A szén nanocsövek "keményebbek". Ha a szén nanocsöveket 75 GPa felett összenyomják, ultrakemény anyaggá alakulnak át, amely keményebb a gyémántnál - akár a tömb modulus (447 vs 440 GPa), akár a Vickers-keménység (241 vs. ~100 GPa) tekintetében, átfogóan felülmúlják a gyémántot.
A szén nanocsövek olyanok, mint a "háború istene" az anyagok világában, - normál körülmények között hétköznapinak tűnnek, de amint kinyílik a "harmadik szemük" (extrém nyomást alkalmaznak), keménységük azonnal meghaladja a gyémántot, és az "ultrakemény anyagok királyává" válik.
6. Shandong Tanfeng új anyag: a szén nanocső ipar "nyersanyag bázisa"
A Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. nagy-tisztaságú (98%-nál nagyobb vagy egyenlő) több-falú/egyfalú-szén nanocső port, amely ideális nyersanyagként szolgál az élvonalbeli kutatásokhoz, például a nagynyomású fázisátalakuláshoz.
Legyen szó a Yanshan Egyetem rekord-241 GPa-s kutatásáról vagy az Arizonai Egyetem 75 GPa-os hidegkompressziós fázisátmeneti kutatásáról, mindkettő kiindulópontja a jó-minőségű szén nanocső nyersanyagok.
A Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. pontosan a "forráserő" ezen az úton a "nyersanyagtól az ultrakeményig".
| Előny Dimenzió | Tanfeng új anyag erőssége |
|---|---|
| Termékmátrix | Egy{0}}falú/dupla{1}}falú/több{2}}falú szén nanocsövek (SWCNT/DWCNT/MWCNT) teljes választéka |
| A termék tisztasága | Nagyobb vagy egyenlő, mint 98%, jó a tétel konzisztenciája |
| Előkészítési folyamatok | Ívkisülés, lézeres abláció, kémiai gőzleválasztás (CVD); több folyamat elsajátítása |
| Kulcsparaméterek | TF-210 sorozat stb.; szemcseméret 5-15 μm |
| Mechanikai Tulajdonságok | Elméleti Young-modulus 5 TPa-ig; szilárdsága 100-szorosa az acélénak; súlya 1/6 az acélénak |
| Alkalmazás elrendezése | Hét stratégiai irány, beleértve az új energetikai járműveket, az űrhajózást és a vasúti tranzitot |
A Yanshan Egyetem csapata képes volt szintetizálni a világ{0}}rekord anyagát „241 GPa Knoop-keménység” mellett, kiváló minőségű szén nanocső prekurzorokra támaszkodva. A szén-anyagok terén 20 éves iparági felhalmozással a Tanfeng New Material stabil és megbízható nyersanyag-garanciát nyújt az ilyen élvonalbeli kutatásokhoz.
Következtetés: melyik a nehezebb? Válasz - Gyémánt normál körülmények között, szén nanocsövek nyomás alatt
| Állami | Nehezebben | Kulcsadatok |
|---|---|---|
| Normál nyomás és hőmérséklet | Gyémánt | Vickers keménység körülbelül 100 GPa vs. CNT kompozit 185 HV |
| High Pressure (>75 GPa) | Szén nanocsövek | A 447 GPa tömegmodulus meghaladja a gyémántot; A 241 GPa négyszerese a gyémántnak |
A szén nanocsövek és a gyémánt közötti keménységről folytatott vita végül azt a választ adja, hogy egy függvény - a "nyomás" függvénye. Ha kell elegendő nyomást gyakorolni a szén nanocsövekre, akkor azok felülmúlják a gyémántot, és az „ultrakemény anyagok királyává” válnak.
Ez a szén nanocsövek végső varázsa: elég "puhák" lehetnek ahhoz, hogy nanoméretű drótokká csavarodjanak, és elég "kemények" ahhoz, hogy felülmúlják a gyémántokat. A Yanshan Egyetem 241 GPa rekordjától a Tanfeng New Material stabil, legalább 98%-os tisztaságú szén nanocsövek kibocsátásáig ez a „keménységi vita” az akadémiai kutatástól az ipari átalakulás felé halad.