Ugljične nanocijevi spadaju među najlakše poznate materijale, sa gustinom od samo 1,3-2,1 g/cm³, daleko nižom od gustine čelika (7,9 g/cm³) i aluminijuma (2,7 g/cm³). To znači da je za istu zapreminu težina ugljeničnih nanocevi samo 1/6 težine čelika i 1/2 težine aluminijuma. Još više zapanjujuće, iako su karbonske nanocijevi lakše od aluminijuma, njihova vlačna čvrstoća je 100 puta veća od čelika - kombinacija "lakog, a snažne" koja je izuzetno rijetka u prirodi. Kompoziti od ugljeničnih nanocevi su već postigli smanjenje težine od 40% i poboljšanje efikasnosti goriva za 20-25% u avio i automobilskoj industriji. Shandong Tanfeng New Material promoviše industrijalizaciju ovog super-materijala "laganog kao pero, snažnog kao čelik".
1. Koliko su lagane ugljične nanocijevi? Skup brojeva vam govori
zaključak:Gustina ugljeničnih nanocevi je približno 1,3-2,1 g/cm³, što je lakše od aluminijuma i samo 1/6 od čelika.
Prvo, pogledajmo čvrste podatke. Prema akademskoj literaturi iz laboratorije pri Ministarstvu energetike SAD-a, tipična gustina kompozita ugljeničnih nanocevi (CNT) je 1,3 g/cm³. Podaci o domaćim proizvodima također potvrđuju ovaj red veličine - da je prava gustina nekih komercijalnih proizvoda približno 2 g/cm³, sa gustinom iz slavine od samo 0,18 g/cm³. Da sumiramo, prividna gustina praha ugljeničnih nanocevi pada otprilike u rasponu od 1,3-2,1 g/cm³.
Šta znači ova "lakoća"? Hajde da ga uporedimo sa metalima visokih{0}}korisnih performansi koji su nam poznati u svakodnevnom životu:
| Materijal | Gustina (g/cm³) | Ugljične nanocijevi u odnosu na ovaj materijal |
|---|---|---|
| Materijal ugljične nanocijevi | 1.3-2.1 | --Osnovna linija-- |
| aluminijum (aluminijumska legura) | 2.7 | CNT su otprilike 30%-50% lakši |
| titanijum (legura titanijuma) | 4.5 | CNT su otprilike 56%-71% lakši |
| Čelik | 7.9 | CNT-ovi su otprilike 70%-80% lakši, tj. za istu zapreminu, težina CNT-a je samo 1/6 do 1/4 težine čelika |
Da damo intuitivan primjer: obična glavčina kotača automobila, ako je napravljena od kompozitnog materijala ugljičnih nanocijevi, mogla bi vidjeti da njegova težina padne sa preko 20 jin (oko 10 kg) na 5-6 jin (oko 2,5-3 kg). Možete ga lako podići jednom rukom.
2. Zašto su ugljične nanocijevi tako lagane? Tajna leži u njihovoj "figuri u nanoskali"
zaključak:Ultra-svjetlosna karakteristika ugljičnih nanocijevi proizlazi iz njihove jedinstvene mikrostrukture - atomi ugljika su raspoređeni u heksagonalnom uzorku saća, formirajući krug kako bi se stvorila šuplja "cijev nano razmjera", sa unutrašnjosti koja je skoro potpuno prazna.
Ugljična nanocijev je u suštini "cijev", i to cijev na nanorazmjeri.
Njegova mikrostruktura je sljedeća: atomi ugljika su međusobno povezani kovalentnim vezama, formirajući stabilan šestočlani prstenasti grafenski list -, a zatim se ovaj grafenski list "umota" u cilindar. Ovaj cilindar je šupalj - unutra nema atoma, samo zrak ili vakuum. Valjanje jednog sloja stvara ugljeničnu nanocijev-sa jednim zidom (SWCNT); kotrljanje više slojeva stvara ugljeničnu nanocijev sa više-stijena (MWCNT), sa međuslojnim razmakom od oko 0,34 nm.
Ključ za mjerenje težine materijala: Gustina=Masa / Volumen
Metali su puni atoma, gusto zbijeni, pa su teški. Omotač ugljične nanocijevi sastoji se od atoma ugljika (atomi ugljika su mnogo lakši od atoma željeza ili aluminija), unutrašnjost je prazna, a ljuska je izuzetno tanka -, tako da se u jedinici volumena nalazi vrlo malo materijala, tako da je prirodno lagana.
Koristeći kuhinjsku analogiju:Metalna lopatica je čvrsta i teška; šuplja slamka za piće je lagana jer ima samo tanak zid na površini. Ugljična nanocijev je molekularna verzija "šuplje slamke za piće".
3. Zaista nevjerojatna stvar nije "Lakoća", već kombinacija "Lagana, ali snažna"
zaključak:Specifična čvrstoća ugljeničnih nanocevi dostiže čak 500 MPa·cm³/g, što je daleko više nego kod tradicionalnih metala kao što su čelik, aluminijum i titan, što ga čini jednim od najviših među poznatim inženjerskim materijalima.
Da je samo "lagana", to ne bi bila posebna - pjenasta plastika je također vrlo lagana, ali se lako drobi. Ono što karbonske nanocevi zaista čini zadivljujućim je to što su, iako su lagane kao vazduh, istovremeno i neverovatno jake.
Kao što smo detaljno analizirali u prethodnom članku: vlačna čvrstoća ugljeničnih nanocijevi može doseći 50-200 GPa, što je 100 puta više od čelika. Kada se ovi podaci pomnože sa dimenzijom "lakoće", dobijamo metriku koja izluđuje inženjere - specifičnu snagu (snaga ÷ gustina).
Pogledajte ovaj skup uporednih podataka:
| Materijal | Gustina (g/cm³) | Vlačna čvrstoća (MPa) | Specifična čvrstoća (MPa·cm³/g) |
|---|---|---|---|
| Kompozit ugljičnih nanocijevi | 1.3 | ~650 | 500 |
| Aluminij (7075-T6) | 2.7 | 572 | 212 |
| titan (Ti-6Al-4V) | 4.5 | 950 | 211 |
| čelik (A36) | 7.9 | 400 | 51 |
Što je veća specifična čvrstoća, to je veća nosivost-nosivosti za datu težinu. Specifična čvrstoća ugljeničnih nanocevi (500) je skoro 10 puta veća od čelika (51) - uže napravljeno od ugljeničnih nanocevi iste težine može da podnese skoro 10 puta veće opterećenje od čeličnog užeta.
Zbog toga naučnici predviđaju korištenje karbonskih nanocijevi za izgradnju svemirskog lifta - jer samo materijal koji je "lagan kao pero, jak kao čelik" može stvoriti kabl koji se proteže od Zemlje do svemira.
4. Industrijska revolucija koju donosi "Lakoća": 40% smanjenje težine, 25% ušteda goriva
zaključak:Kompoziti od ugljeničnih nanocevi su već postigli efekte smanjenja težine do 40% u vazduhoplovnoj i automobilskoj industriji, direktno prevodeći u poboljšanje efikasnosti goriva od 20-25%.
"Lightness" nije samo igra brojeva; to opipljivo mijenja industrijski pejzaž.
Prema preglednom članku u međunarodnom akademskom časopisuNauka o materijalima i inženjerstvo: R, kompoziti od ugljeničnih nanocevi su pokazali veliki potencijal u vazduhoplovnoj i automobilskoj industriji: težina strukturnih komponenti može se smanjiti do 40%, uz održavanje ili čak poboljšanje mehaničkih svojstava.
Pogledajmo stvarne{0}}primjere aplikacija iz svijeta:
| Slučaj primjene | Uloga kompozita ugljičnih nanocijevi | Stvarni efekat |
|---|---|---|
| Boeing 787 Dreamliner | Strukturne komponente trupa | 20-25% poboljšanje efikasnosti goriva |
| BMW i3 električno vozilo | Karoserije | 30% smanjenje težine |
| KIST motor od ugljične nanocijevi (Koreja) | Namotaji motora | Otprilike 25% smanjenje težine motora |
Posebno je vrijedan pomena slučaj Boeinga 787. Ovaj "Dreamliner" u velikoj mjeri koristi napredne kompozitne materijale (uključujući materijale ojačane ugljičnim nanocijevima-), ne samo da postiže značajno smanjenje težine, već i omogućava ovom velikom avionu da uštedi preko 20% goriva u poređenju sa sličnim modelima. Korejski institut za nauku i tehnologiju (KIST) je čak otišao korak dalje i direktno napravio motor bez ikakvih metalnih namotaja - zamjenjujući bakrenu žicu žicom od ugljeničnih nanocijevi, što je rezultiralo težinom motora samo jednom-petinom mase motora od bakra.
za avion:Ušteda goriva=leti dalje + niže cijene karata + smanjene emisije ugljika.
Za električno vozilo:Smanjenje težine=veći domet + brže ubrzanje + manja baterija.
Lakoća je zlato; lakoća je konkurentnost.
5. Shandong Tanfeng Novi materijal: Pretvaranje "Lakoće" u proizvode koji se mogu kupiti
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. masovno-proizvodi i proizvodi "ultra-lake" karakteristike ugljičnih nanocijevi, služeći vrhunskim{4}}industrijama kao što su svemirska i nova energetska vozila.
Pretvaranje ugljičnih nanocijevi iz "čudotvornog materijala" u laboratoriji u industrijsku sirovinu koju inženjeri mogu naručiti zahtijeva kompanije koje zaista ovladaju-tehnologijom proizvodnje velikih razmjera.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. je upravo takva kompanija.
šta to radi?
Kompanija se fokusira na istraživanje i razvoj i proizvodnju ugljičnih nanocijevi s više-stijena (MWCNT), jednoslojnih ugljičnih nanocijevi (SWCNT), funkcionaliziranih ugljičnih nanocijevi, provodljivih pasta i prethodno-raspršenih proizvoda. Čistoća proizvoda je veća ili jednaka 97,5%, zaostale nečistoće Fe, Co i Ni katalizatora su manje od ili jednake 0,5 ppm, distribucija promjera cijevi je uska, a konzistencija serije-do-konzistencije CV je<5%.
Njegove osnovne kompetencije:
| Advantage Dimension | Specifičan sadržaj |
|---|---|
| Core Process | Proizvodnja u gasnoj{0}} fazi (CVD); promjer cijevi je kontroliran, serije stabilne |
| Product Matrix | Potpuna pokrivenost jednozidnim-zidom/više{1}}zidom; prilagodljiva funkcionalnost (-COOH, -OH, itd.) |
| Upute za primjenu | Sedam glavnih oblasti, uključujući nova energetska vozila, vazduhoplovstvo, tranzit železnicom, energiju vetra, skladištenje energije vodonika |
| Jedinstvena sposobnost | Čitav lanac se može neovisno kontrolirati od katalizatora do finalnog proizvoda |
| Provereni rezultati | Pruža provodljivu pastu vodećim domaćim preduzećima za baterije, već postižući 30% smanjenje otpornosti ploča elektroda |
Tanfeng New Material također obezbjeđuje PA12 nosač sa više-masterbatcha od ugljeničnih nanocijevi za evropske dobavljače automobilskih dijelova, ispunjavajući stroge anti-zahtjeve za statičke cijevi za gorivo. Kada su kompanijama poput BMW-a i Boeinga potrebni laki materijali-visokih performansi, karbonske nanocijevi se transformišu iz udaljenog laboratorijskog koncepta u opipljive proizvode na policama kineskih kompanija kao što je Tanfeng.
Sažetak: Šta znači "lakoća" ugljeničnih nanocevi?
| Perspektiva | Osnovni zaključak |
|---|---|
| Podaci | Gustina 1,3-2,1 g/cm³, samo 1/6 od čelika, lakši od aluminijuma |
| Princip | Struktura "šuplje nanosmjerne cijevi", tankih-zidova i šuplje unutrašnjosti, prirodno lagana |
| Performanse | Specifična čvrstoća od 500 MPa·cm³/g, skoro 10 puta veća od čelika, lagana ali jaka |
| Industrija | Postiže smanjenje težine od 40% i uštedu goriva od 25%; već provjereno na Boeing 787 i BMW i3 |
| Realnost | Kompanije poput Shandong Tanfeng New Materiala masovno- ga proizvode za industrijsku upotrebu |
"Lakoća" karbonskih nanocijevi nikada nije bila samo običan broj niske{0}}gustine. Radi se o prenošenju najvećeg opterećenja uz najmanju masu, postizanju najjačih performansi sa najmanje materijala i stvaranju najveće efikasnosti sa najlakšim komponentama.
Kada Shandong Tanfeng New Material kontinuirano "puhuje" ovaj crni prah iz svog fabričkog - praha koji je lakši od zraka (u svom nabijenom stanju), ali jači od čelika -, to signalizira da je "era lake težine" svijeta materijala zaista stigla.