Ugljikove nanocijevi i dijamanti imaju usporedivu tvrdoću, ali njihove definicije "tvrdih" su različite. Što se tiče tvrdoće ogrebotina (Mohsova tvrdoća), dijamant je 10, najviši među prirodnim mineralima. Ugljikove nanocijevi nemaju standardnu Mohsovu vrijednost tvrdoće, ali njihova je sposobnost grebanja usporediva s dijamantom. Što se tiče Vickersove tvrdoće (otpornosti na utiskivanje), dijamant je 7140-15300 HV, dok su ugljikove nanocijevi približno 1000-2000 HV. Međutim, istraživanja su sintetizirala trodimenzionalne kovalentno povezane ugljikove nanocijevi s tvrdoćom po Vickersu od 82,8 GPa. Što se tiče žilavosti, ugljikove nanocijevi su 100 puta jače od čelika i mogu se rastegnuti. Dijamanti, iako tvrdi, vrlo su krti i mogu se razbiti čekićem.Zaključak:U tvrdoći ogrebotina, dijamant ≈ ugljične nanocijevi; u udarnoj žilavosti ugljikove nanocijevi u potpunosti nadmašuju dijamant.
1. Prvo, shvatite "tvrdoću": to znači različite stvari
Zaključak:U svakodnevnom životu riječ "tvrdo" zapravo ima dva značenja - tvrdoća na ogrebotine (otpornost na habanje) i otpornost na udarce. Dijamant dobiva samo prvu, ali gubi drugu.
Prije usporedbe ugljikovih nanocijevi i dijamanata potrebno je razjasniti: što zapravo znači „tvrdoća“?
Mnogi ljudi pogrešno vjeruju da visoka tvrdoća znači "ne može se slomiti čekićem". Ovo je pogrešno mišljenje.
Stručno, tvrdoća se uglavnom dijeli na dvije vrste:
| Vrsta tvrdoće | Metoda mjerenja | Uobičajeno tumačenje | Reprezentativni materijal |
|---|---|---|---|
| Tvrdoća ogrebotina (Mohsova tvrdoća) | Zagrebite minerale jedan o drugi da vidite koji ostavlja trag | "Otpornost na habanje" | Dijamant, stupanj 10 (najviši) |
| Tvrdoća po Vickersu (tvrdoća udubljenja) | Utisnite dijamantni utiskivač u površinu materijala | "Otpornost na deformaciju pod pritiskom" | Dijamant 7140-15300 HV |
| Udarna žilavost | Udarac čekićem, test pada | "Otpornost na udarce" | Dijamant je vrlo krt i lako se lomi |
Dijamant:Mohsova tvrdoća 10, najveća među prirodnim mineralima. Međutim, ima "oktaedarski rascjep" - kada se sila primijeni u određenom smjeru, čak i mala količina može uzrokovati njegovo cijepanje. Udaranje dijamanta čekićem razbit će ga u prah. To nije zato što je njegova tvrdoća nedovoljna, već zato što je njegova lomljivost velika.
Ugljikove nanocijevi:Sastoji se od atoma ugljika povezanih C=C kovalentnim vezama, jednom od najstabilnijih kemijskih veza u prirodi. Njihova Mohsova tvrdoća nema standardnu vrijednost, ali je njihova sposobnost grebanja "usporediva" s dijamantom. Ključna stvar je da ugljikove nanocijevi također "imaju dobru fleksibilnost i mogu se rastegnuti."
Da upotrijebimo analogiju:Dijamant je poput komada stakla - površina je izuzetno tvrda i-otporna na habanje, ali se razbije kad padne na pod. Ugljikove nanocijevi su poput čelične žice - mogu također izgrebati staklo, ali se također mogu savijati, rastezati i neslomljive su.
2. Neka podaci govore: ugljikove nanocijevi naspram dijamanata - Što je jače?
Zaključak:Što se tiče vlačne čvrstoće i specifične čvrstoće (čvrstoća ÷ gustoća), ugljikove nanocijevi su "super vlakna" s kojima dijamant ne može parirati. Što se tiče tvrdoće po Vickersu, prirodne ugljikove nanocijevi nisu tako tvrde kao dijamant, ali su se umjetno sintetizirane varijante približile ili čak i nadmašile.
Pogledajmo izravno usporedbu podataka:
| Metrika izvedbe | Dijamant | Ugljične nanocijevi (CNT) |
|---|---|---|
| Mohsova tvrdoća | 10 (najviši među prirodnim mineralima) | "Usporedivo" s dijamantom |
| Tvrdoća po Vickersu (HV) | 7140-15300 Hv | Približno 1000-2000 Hv (za jednu cijev) |
| Vlačna čvrstoća | ~2-3 GPa (niže s nedostacima) | 50-200 GPa |
| Modul elastičnosti | ~1,0-1,2 TPa | 1-5 TPa |
| Gustoća | 3,5 g/cm³ | 1,3-2,0 g/cm³ |
| Specifična čvrstoća (snaga/gustoća) | ~0,6-0,9 GPa·cm³/g | 25-100 GPa·cm³/g (100 puta više od čelika) |
| Fleksibilnost | Izuzetno krt, ima plohe cijepanja | Može se rastezati i savijati |
| Otpornost na udarce | Može se razbiti čekićem | Ultra{0}}visoka otpornost, može se koristiti u pancirnim prslucima |
Nekoliko od ovih podatkovnih točaka vrijedi pažljivo ispitati:
1. Vlačna čvrstoća: ugljične nanocijevi u potpunosti pobjeđuju
Vlačna čvrstoća ugljikovih nanocijevi je 50-200 GPa. Iako je dijamant tvrd, nije dobar u "otupiranju napetosti". Da upotrijebimo analogiju: dijamant je poput staklene cigle - ne može se zgnječiti, ali se lako lomi kada se povuče.
2. Modul elastičnosti: ugljične nanocijevi nešto bolje
Modul elastičnosti mjeri "sposobnost otpora deformaciji". Dijamant je otprilike 1,0-1,2 TPa. Teorijska vrijednost za ugljikove nanocijevi može doseći 5 TPa, s izmjerenim vrijednostima obično u rasponu od 1-1,8 TPa. U smislu "krutosti", oni su otprilike jednaki, a ugljikove nanocijevi imaju čak i blagi rub.
3. Specifična snaga: Ugljične nanocijevi dominiraju svime
Specifična čvrstoća=snaga ÷ gustoća, mjerenje "koliku vučnu silu jedinica težine može izdržati." Specifična čvrstoća ugljikovih nanocijevi je 100 puta veća od čelika, dosežući 25-100 GPa·cm³/g. To znači: kada biste napravili uže od ugljikovih nanocijevi, ono bi bilo 100 puta jače od čeličnog užeta iste težine. To je i razlog zašto je znanstvenofantastični roman "Problem tri tijela" koristio "nano leteće oštrice" za presijecanje divovskih brodova i zašto znanstvenici predviđaju korištenje ugljikovih nanocijevi za izgradnju "svemirskog dizala".
4. Ultra{1}}ugljične nanocijevi: Novo znanstveno otkriće
Studija iz 2022. dizajnirala je tro-dimenzionalnu kovalentno povezanu ugljikovu nanocijev kroz teoretske izračune. Njegova Vickersova tvrdoća dosegnula je 82,8 GPa, usporedivo s kubičnim borovim nitridom. Drugo istraživanje iste godine predvidjelo je dva metastabilna ultra-tvrda polimera ugljikovih nanocijevi s tvrdoćom po Vickersu od 40,4 GPa odnosno 37,1 GPa.
Ovi podaci pokazuju da ugljikove nanocijevi ne samo da mogu pobijediti dijamant u smislu žilavosti, već im znanstvenici također omogućuju da nadmaše dijamant u pokazatelju "tvrdoće".
3. Je li "Nano Flying Blade" pravi? Koliko su jake ugljikove nanocijevi?
Zaključak:"Nano leteća oštrica" iz "Problema tri-tijela" koja presijeca divovske brodove temelji se na ugljikovim nanocijevima. U stvarnosti, teoretska čvrstoća ugljikovih nanocijevi doista je dovoljna da "prorežu metal poput blata".
U znanstvenofantastičnom romanu "Problem tri{0}}tijela," "nano leteća oštrica" debljine samo-desetine ljudske dlake može razrezati divovski brod poput tofua. Ovaj koncept nije nastao iz ničega - njegov prototip je ugljikova nanocijev.
Što ugljikove nanocijevi mogu postići u stvarnosti?
100 puta jači od čelika:Snop ugljikovih nanocijevi tanjih od ljudske vlasi teoretski bi mogao podići automobil.
Jači od bilo kojeg vlakna:Ugljične nanocijevi daleko su superiornije od bilo kojeg poznatog vlakna i po čvrstoći i po žilavosti.
Svemirski lift nije san:Znanstvenici vjeruju da su ugljikove nanocijevi najbolji kandidatski materijal za izradu kabela "svemirskog dizala".
Naravno, trenutno tehničko usko grlo leži u tome kako replicirati iznimne performanse pojedinačne ugljikove nanocijevi u makroskopskom materijalu. Ovo je težak problem na čijem rješavanju rade znanstvenici diljem svijeta.
4. Kako Tanfeng New Material proizvodi ovaj "super materijal"
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. transformira izvrsna mehanička svojstva ugljikovih nanocijevi u proizvode koji se mogu -proizvesti masovno, donoseći "super materijal" izvan laboratorija.
Teorija je jedno, ali istinska primjena "supermoći" ugljikovih nanocijevi na stvarne proizvode zahtijeva tvrtke koje vladaju -velikom proizvodnom tehnologijom.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. upravo je takva tvrtka.
Što radi?Tvrtka je usmjerena na istraživanje i razvoj i proizvodnju praha ugljikovih nanocijevi, vodljive paste i silicij-karbonskih anodnih materijala. Njegovi proizvodi pokrivaju cijeli raspon ugljičnih nanocijevi s jednom-stjenkom i ugljikovih nanocijevi s više-stjenkama.
Kakva je njegova tehnička sposobnost?
Posjeduje više od deset aktivnih patenata koji se odnose na ugljikove nanocijevi.
Ovladava različitim procesima pripreme uključujući lučno pražnjenje, lasersku ablaciju i kemijsko taloženje iz pare (CVD).
Čistoća proizvoda veća ili jednaka 98%; veličina čestica praha može doseći 5-15 μm.
Mjesečna proizvodnja doseže 200 tona, već je u masovnoj proizvodnji.
Gdje se primjenjuju mehanička svojstva ugljikovih nanocijevi?Teoretski Youngov modul Tanfengovih proizvoda od ugljikovih nanocijevi može doseći 5 TPa, s čvrstoćom otprilike 100 puta većom od čelika i gustoćom samo 1/6 od čelika. Ova izvrsna mehanička svojstva koriste se u sljedećim područjima:
| Polje primjene | Specifična upotreba | Uloga ugljikovih nanocijevi |
|---|---|---|
| Aerospace | Strukturne komponente trupa i krila | Ultra-visoka čvrstoća + ultra-mala težina |
| Željeznički prijevoz | Lagani materijali za karoserije vlakova | Smanjuje težinu uz održavanje snage |
| Snaga vjetra | Divovske oštrice | Otpornost na zamor, dug radni vijek |
| Napredni polimerni materijali | Kompoziti visokih{0}}učinkovitosti | Poboljšava mehanička svojstva |
| Elastomeri | Gumeni proizvodi -otpornosti-na habanje | Poboljšava čvrstoću i otpornost na habanje |
Tvrtka pomno slijedi nacionalnu razvojnu strategiju za novu energiju i nove materijale, sa svojim poslovnim opsegom koji se širi diljem zemlje, težeći da postane "napredni dobavljač materijala i pružatelj tehničkih usluga".
Sažetak jedne-rečenice:Dok znanstvenici u laboratorijima dokazuju da su ugljikove nanocijevi "super vlakna", tvrtke poput Tanfeng New Material pretvaraju ih u proizvode koje možete kupiti.
Zaključak: što je teže? Odgovor ovisi o tome kako definirate "teško"
| Ako pitate o... | odgovor je... |
|---|---|
| Koji je otporniji-na habanje (tvrdoća na ogrebotine) | Dijamant ≈ Ugljikova nanocijev (usporedivo); dijamant je najviši među prirodnim mineralima |
| Što je otpornije na kompresiju (tvrdoća po Vickersu) | Dijamant je viši, ali ultra{0}}ugljične nanocijevi su mu se približile ili čak nadmašile |
| Što je otpornije na napetost (vlačna čvrstoća) | Ugljična nanocijev potpuno pobjeđuje, desetke puta jača od dijamanta |
| Što je otpornije na udar (žilavost) | Ugljična nanocijev potpuno pobjeđuje; dijamant razbija čekićem |
| Što je sveukupno jače (sveobuhvatna izvedba) | Ugljikova nanocijev - tvrda, snažna, žilava i lagana |
Konačni zaključak je:
U tradicionalnom smislu "otpornosti na trošenje", dijamantne i ugljikove nanocijevi imaju svoje prednosti. Ali u smislu "sveobuhvatnih mehaničkih svojstava" - posebno vlačne čvrstoće, žilavosti i specifične čvrstoće - ugljikove nanocijevi su neosporni kralj.
Dijamant je "najtvrđi prirodni mineral na Zemlji", ali ugljikove nanocijevi su "najjača vlakna koja su napravili ljudi".
Kao što je jedan znanstvenik za materijale rekao: "Dijamant je kralj prošlosti; ugljikove nanocijevi su kamen temeljac budućnosti."
A budući da ovaj budući materijal masovno-proizvodi Shandong Tanfeng, možemo reći: stigla je era ugljikovih nanocijevi.