A szén nanocsövek és a gyémántok keménysége hasonló, de a „kemény” fogalma eltérő. A karcolási keménységet (Mohs-keménység) tekintve a gyémánt 10, a legmagasabb a természetes ásványok között. A szén nanocsöveknek nincs szabványos Mohs keménységi értéke, de karcolási képességük a gyémánthoz hasonlítható. A Vickers-keménység (benyomódással szembeni ellenállás) szempontjából a gyémánt 7140-15300 HV, míg a szén nanocsövek körülbelül 1000-2000 HV. A kutatások azonban háromdimenziós kovalens kötésű szén nanocsöveket szintetizáltak, amelyek Vickers-keménysége 82,8 GPa. Szívósságukat tekintve a szén nanocsövek 100-szor erősebbek, mint az acél, és nyújthatók. A gyémántok, bár kemények, nagyon törékenyek, és egy kalapáccsal összetörhetik.Következtetés:Karc keménységben, gyémánt ≈ szén nanocső; ütésállóságában a szén nanocső teljesen felülmúlja a gyémántot.
1. Először is, értse meg a „keménységet”: különböző dolgokat jelent
Következtetés:A mindennapi életben a „kemény” szónak két jelentése van: - karcállóság (kopásállóság) és ütésállóság. Gyémánt csak az elsőt nyeri meg, de a másodikat elveszíti.
A szén nanocsövek és a gyémántok összehasonlítása előtt tisztázni kell: mit jelent valójában a „keménység”?
Sokan tévesen azt hiszik, hogy a nagy keménység azt jelenti, hogy "kalapáccsal nem lehet eltörni". Ez egy tévhit.
Szakmailag a keménységet alapvetően két típusra osztják:
| Keménység típusa | Mérési módszer | Közös értelmezés | Reprezentatív anyag |
|---|---|---|---|
| Karckeménység (Mohs-keménység) | Karcolja egymáshoz az ásványokat, hogy lássa, melyik hagy nyomot | "kopásállóság" | Gyémánt, 10. osztály (legmagasabb) |
| Vickers-keménység (benyomódási keménység) | Nyomjon egy gyémánt bemélyedést az anyag felületébe | "Nyomás alatti deformációval szembeni ellenállás" | Gyémánt 7140-15300 HV |
| Ütésállóság | Kalapácsütés, ejtési teszt | "ütésállóság" | A gyémánt nagyon törékeny és könnyen összetörik |
Gyémánt:Mohs keménysége 10, a legmagasabb a természetes ásványok között. Azonban "oktaéderes hasítása" van -, ha egy adott irányban erőt fejtenek ki, még kis mennyiség is hasadást okozhat. Ha kalapáccsal megütjük a gyémántot, az porrá törik. Ennek nem az az oka, hogy nem elég kemény a keménysége, hanem azért, mert nagy a ridegsége.
Szén nanocsövek:C{0}}C kovalens kötésekkel összekapcsolt szénatomokból áll, amely a természet egyik legstabilabb kémiai kötése. Mohs-keménységüknek nincs standard értéke, de karcolási képességük "összehasonlítható" a gyémántéval. A lényeg az, hogy a szén nanocsövek "jó rugalmassággal rendelkeznek és nyújthatók".
Analógiával élve:A gyémánt olyan, mint egy üvegdarab - felülete rendkívül kemény és kopásálló-, de a padlóra ejtve összetörik. A szén nanocsövek olyanok, mint egy acélhuzal - megkarcolhatják az üveget is, de hajlíthatók, nyújthatók és törhetetlenek is.
2. Beszéljenek az adatok: szén nanocsövek kontra gyémántok - Melyik a erősebb?
Következtetés:A szakítószilárdság és a fajlagos szilárdság (szilárdság ÷ sűrűség) tekintetében a szén nanocsövek olyan "szuperszálak", amelyekkel a gyémánt nem tud párosulni. Vickers keménységét tekintve a természetes szén nanocsövek nem olyan kemények, mint a gyémánt, de a mesterségesen szintetizált fajták megközelítették, sőt meg is haladták azt.
Nézzük közvetlenül az adatok összehasonlítását:
| Teljesítménymutató | Gyémánt | Szén-nanocső (CNT) |
|---|---|---|
| Mohs-keménység | 10 (a természetes ásványok között a legmagasabb) | "Hasonlítható" a gyémánthoz |
| Vickers keménység (HV) | 7140-15300 Hv | Körülbelül 1000-2000 Hv (egy csőhöz) |
| Szakítószilárdság | ~2-3 GPa (alacsonyabb hibákkal) | 50-200 GPa |
| Rugalmas modulus | ~1,0-1,2 TPa | 1-5 TPa |
| Sűrűség | 3,5 g/cm³ | 1,3-2,0 g/cm³ |
| Fajlagos szilárdság (szilárdság/sűrűség) | ~0,6-0,9 GPa·cm³/g | 25-100 GPa·cm³/g (az acélé 100-szorosa) |
| Rugalmasság | Rendkívül törékeny, hasítási síkokkal rendelkezik | Nyújtható és hajlítható |
| Ütésállóság | Kalapáccsal összetörhető | Ultra-nagy szívósság, golyóálló mellényekben is használható |
Ezen adatpontok közül néhányat érdemes alaposan megvizsgálni:
1. Szakítószilárdság: A szén nanocsövek teljesen nyernek
A szén nanocsövek szakítószilárdsága 50-200 GPa. Bár a gyémánt kemény, nem jó a "feszültségnek ellenállni". Egy hasonlattal élve: a gyémánt olyan, mint egy üvegtégla – nem törhető, de húzáskor könnyen eltörik.
2. Elasztikus modulus: A szén nanocsövek valamivel jobbak
A rugalmassági modulus méri "a deformációnak ellenálló képességet". A gyémánt körülbelül 1,0-1,2 TPa. A szén nanocsövek elméleti értéke elérheti az 5 TPa-t, a mért értékek jellemzően 1-1,8 TPa tartományba esnek. A "merevség" tekintetében nagyjából egyenértékűek, a szén nanocsöveknek még enyhe élük is van.
3. Specifikus erősség: A szén nanocsövek mindent uralnak
Fajlagos szilárdság=szilárdság ÷ sűrűség, amely azt mutatja, hogy "mekkora húzóerőt tud ellenállni az egységsúly". A szén nanocsövek fajlagos szilárdsága 100-szorosa az acélénak, eléri a 25-100 GPa·cm³/g-ot. Ez azt jelenti: ha szén nanocsövekből készítenél egy kötelet, az 100-szor erősebb lenne, mint egy azonos súlyú acélkötél. Ez az oka annak is, hogy a "The Three-Body Problem" című sci-fi regény "nano repülő pengéket" használt az óriáshajók átvágására, és ezért képzelik a tudósok szén nanocsövek felhasználását egy "űrlift" megépítésére.
4. Ultra-kemény szén nanocsövek: új tudományos áttörés
Egy 2022-es tanulmány egy háromdimenziós kovalens kötésű szén nanocsövet tervezett elméleti számításokkal. Vickers-keménysége elérte a 82,8 GPa-t, ami a köbös bór-nitridéhez hasonlítható. Egy másik tanulmány ugyanabban az évben két metastabil ultra{5}}kemény szén nanocső polimert jósol, amelyek Vickers-keménysége 40,4 GPa, illetve 37,1 GPa.
Ezek az adatok azt mutatják, hogy a szén nanocsövek nem csak szívósságukat tekintve győzhetik le a gyémántot, de a tudósok azt is lehetővé teszik számukra, hogy a "keménység" mutatójában felülmúlják a gyémántot.
3. Valódi a "Nano Flying Blade"? Mennyire erősek a szén nanocsövek?
Következtetés:A "The Three{0}}Body Problem" óriáshajókat átvágó "nano repülő pengéje" szén nanocsöveken alapul. A valóságban a szén nanocsövek elméleti szilárdsága valóban elegendő ahhoz, hogy "átvágja a fémet, mint a sárt".
A "The Three{0}}Body Problem" című tudományos-fantasztikus regényben egy "nano repülő penge" az emberi hajszál vastagságának csak egytizede képes feldarabolni egy óriási hajót, mint a tofut. Ezt a koncepciót nem légből kapott - prototípusa a szén nanocső.
Mit érhetnek el a szén nanocsövek a valóságban?
100-szor erősebb, mint az acél:Az emberi hajnál vékonyabb szén nanocsövek köteg elméletileg fel tudná emelni az autót.
Erősebb minden rostnál:A szén nanocsövek erősségben és szívósságban is messze felülmúlják bármely ismert szálat.
Az űrlift nem álom:A tudósok úgy vélik, hogy a szén nanocsövek a legjobb jelölt anyag egy "űrlift" kábelének elkészítéséhez.
Természetesen a jelenlegi technikai szűk keresztmetszet abban rejlik, hogyan lehet megismételni az egyedi szén nanocső kivételes teljesítményét egy makroszkopikus anyagban. Ez az a nehéz probléma, amelyen a tudósok világszerte dolgoznak.
4. Hogyan állítja elő a Tanfeng New Material ezt a "szuperanyagot"
A Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. a szén nanocsövek kiváló mechanikai tulajdonságait tömegesen-előállítható termékekké alakítja át, és kihozza a „szuperanyagot” a laboratóriumból.
Az elmélet egy dolog, de a szénnanocsövek „szupererejének” tényleges alkalmazásához olyan cégekre van szükség, amelyek elsajátítják a nagyszabású{0}}gyártási technológiát.
A Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. pontosan ilyen cég.
Mit csinál?A vállalat a szén nanocső por, vezető paszta és szilícium{0}}szén anód anyagok kutatására és fejlesztésére és gyártására összpontosít. Termékei lefedik az egy-falú szén nanocsövek és a több-falú szén nanocsövek teljes skáláját.
Mi a műszaki képessége?
Több mint tíz aktív szabadalom birtokában van a szén nanocsövekkel kapcsolatban.
Elsajátítja a különféle előkészítési folyamatokat, beleértve az ívkisülést, a lézeres ablációt és a kémiai gőzleválasztást (CVD).
A termék tisztasága 98% vagy annál nagyobb; a por szemcsemérete elérheti az 5-15 μm-t.
A havi termelés eléri a 200 tonnát, már tömeggyártásban.
Hol alkalmazza a szén nanocsövek mechanikai tulajdonságait?A Tanfeng szén nanocső termékeinek elméleti Young-modulusa elérheti az 5 TPa-t, szilárdsága körülbelül 100-szorosa az acélénak, sűrűsége pedig csak 1/6-a az acélnak. Ezeket a kiváló mechanikai tulajdonságokat a következő területeken hasznosítják:
| Alkalmazási mező | Specifikus felhasználás | A szén nanocsövek szerepe |
|---|---|---|
| Repülőgép | Törzs és szárny szerkezeti elemek | Ultra-nagy szilárdság + ultra-könnyű súly |
| Vasúti tranzit | Könnyű anyagok vonattestekhez | Csökkenti a súlyt, miközben megőrzi az erőt |
| Szélenergia | Óriás pengék | Fáradásállóság, hosszú élettartam |
| Fejlett polimer anyagok | Kiváló{0}}teljesítményű kompozitok | Javítja a mechanikai tulajdonságokat |
| Elasztomerek | Magas-kopásálló-gumitermékek | Javítja az erőt és a kopásállóságot |
A cég szorosan követi az új energia és az új anyagok nemzeti fejlesztési stratégiáját, tevékenységi köre országosan sugárzik, „haladó anyagszállító és műszaki szolgáltatóvá” kíván válni.
Egy-mondat összefoglalása:Míg a tudósok laboratóriumokban bizonyítják, hogy a szén nanocsövek „szuperszálak”, az olyan cégek, mint a Tanfeng New Material, megvásárolható termékekké alakítják őket.
Következtetés: melyik a nehezebb? A válasz attól függ, hogyan határozza meg a „kemény” kifejezést
| Ha arról kérdez,... | A válasz... |
|---|---|
| Melyik a kopásállóbb-(karckeménység) | Gyémánt ≈ Szén nanocső (hasonlítható); A gyémánt a legmagasabb a természetes ásványok között |
| Melyik jobban ellenáll a nyomásnak (Vickers keménység) | A gyémánt magasabb, de az ultra{0}}kemény szén nanocsövek megközelítették vagy meg is haladták azt |
| Melyik jobban ellenáll a feszültségnek (szakítószilárdság) | A szén nanocső teljesen nyer, több tucatszor erősebb, mint a gyémánt |
| Melyik ütésállóbb (szívósság) | A szén nanocső teljesen nyer; a gyémánt kalapáccsal összetörik |
| Melyik az erősebb összességében (átfogó teljesítmény) | Szén nanocső - kemény, erős, szívós és könnyű |
A végső következtetés:
A „kopásállóság” hagyományos értelmében a gyémánt és a szén nanocsöveknek megvannak a maga előnyei. De az "átfogó mechanikai tulajdonságok" tekintetében - különösen a szakítószilárdság, a szívósság és a fajlagos szilárdság - a szén nanocsövek a vitathatatlan király.
A gyémánt a "legkeményebb természetes ásvány a Földön", de a szén nanocsövek a "legerősebb ember által előállított rostok".
Ahogy egy anyagtudós mondta: "A gyémánt a múlt királya, a szén nanocsövek a jövő sarokkövei."
És mivel ezt a jövőbeli anyagot a Shandong Tanfeng{0}}tömegesen gyártja, kijelenthetjük: elérkezett a szén nanocsövek korszaka.