Šta je "tvrđe", ugljenične nanocevi (CNT) ili dijamant? Odgovor zavisi od toga da li vršite pritisak na to. U pogledu Mohsove tvrdoće, ove dvije su uporedive - tvrdoća ugljeničnih nanocijevi je uporediva sa tvrdoćom dijamanta. Što se tiče tvrdoće po Vickersu, ugljenične nanocijevi u prirodnom stanju (185,1 HV) su daleko niže od dijamanta (reda 10.000 HV). Ali čudo se dešava kada se ugljenične nanocevi hladno komprimuju: one mogu formirati ultratvrdu fazu sa modulom zapremine od 447 GPa, sa vrednošću tvrdoće koja raste sa originalnih 185,1 HV na 241 GPa (24 100 HV), što je 4 puta više od grubog dijamanta (približno 60 GPa). To znači: u normalnim uslovima, dijamant je tvrđi; nakon tretmana visokim-pritiskom, karbonske nanocijevi mogu nadmašiti dijamant i postati "Kralj ultratvrdih materijala." Shandong Tanfeng New Material pruža ugljične nanocijevi visoke{17}}čistoće sa više-/jednostrukih zidova-ugljičnih nanocijevi, služeći kao idealna sirovina za tako{20}}istraživanje visokih performansi.
1. Prvo definirajte standard: dvije vrste "tvrdoće", dva odgovora
zaključak:Šta je "tvrđe", ugljenične nanocevi ili dijamant? Zavisi od toga koju vrstu tvrdoće mjerite - Mohsovu tvrdoću, tvrdoću po Vickersu i modul zapremine nakon ultra-fazne transformacije visokog pritiska daju potpuno različite odgovore.
Termin "tvrdoća" u nauci o materijalima ima najmanje tri značenja. Različite metode mjerenja i različiti uvjeti daju potpuno različite zaključke:
| Vrsta tvrdoće | Measurement Method | Tipična vrijednost dijamanta | Tipična vrijednost ugljične nanocijevi |
|---|---|---|---|
| Mohs Hardness | Zagrebati minerale jedan o drugi | 10 (najviše) | Uporedivo sa dijamantom |
| Vickers tvrdoća (normalno stanje) | Dijamantski indenter koji se utiskuje | Reda od 10.000 HV (približno 100 GPa) | 185,1 HV (kompozitni materijal) |
| Vickers tvrdoća (faza visokog-pritiska) | Mjereno nakon hladnog kompresije | Približno 100-150 GPa | 241 GPa (nanoudvojeni dijamantski snopovi napravljeni od CNT-a) |
| Bulk Modulus | Otpornost na kompresiju | Približno 440-442 GPa | Hladno komprimovana faza 447 GPa |
Ključna razlika je:Izmjerena vrijednost tvrdoće karbonskih nanocijevi u njihovom prirodnom stanju je relativno niska (posebno u kompozitima), ali kada se podvrgnu ekstremnoj kompresiji, one se pretvaraju u ultratvrdu fazu koja je tvrđa od dijamanta.
Napomena: Vickersova tvrdoća kompozitnog materijala ugljikovih nanocijevi (kao što je CNT/2024 aluminijska legura) je oko 185 HV. Ova vrijednost odražava ukupnu tvrdoću kompozita, a ne tvrdoću samih karbonskih nanocijevi. Istraživanja tvrdoće pojedinačnih karbonskih nanocijevi uglavnom se provode u oblasti ultra{4}}fazne transformacije visokog pritiska.
2. Obračun normalnog stanja: izjednačenje po Mohs-u, pobjeda Dijamantske tvrdoće po Vickersu
zaključak:U "normalnim" uslovima (normalan pritisak, sobna temperatura) sa kojima se susrećemo u svakodnevnom životu, dijamant je apsolutni kralj tvrdoće. Performanse tvrdoće karbonskih nanocijevi uglavnom zavise od kompozitne matrice.
2.1 Mohsova tvrdoća: vrat i vrat
Iz perspektive "međusobnog grebanja", tvrdoća ugljeničnih nanocevi je "uporediva" sa tvrdoćom dijamanta.
Ugljične nanocijevi se sastoje od atoma ugljika povezanih sp² kovalentnim vezama koje formiraju šestočlanu prstenastu strukturu-, dok se dijamant sastoji od trodimenzionalnog okvira sp³ kovalentnih veza. Obje su karbonske-ugljične veze - jedna od najstabilnijih hemijskih veza u prirodi. Stoga, kada se međusobno grebaju, ni jedno ni drugo nema jasnu prednost nad drugim.
Laički rečeno:Dijamant može izgrebati staklo, a karbonske nanocijevi također mogu izgrebati staklo - na ovoj dimenziji, dvije veze.
2.2 Tvrdoća po Vickersu: dominira dijamant
Vickers tvrdoća se mjeri utiskivanjem dijamantskog utiskivača u površinu materijala i mjerenjem dubine utiskivanja. U ovom testu, konvencionalne ugljične nanocijevi su daleko inferiornije od dijamanta:
| Materijal | Vickers Hardness |
|---|---|
| Dijamant | Približno 100 GPa magnitude (10.000 HV) |
| Kompozit ugljične nanocijevi/aluminijske legure | Maksimalno približno 185,1 HV nakon čvrstog rastvora + tretmana starenjem |
Razlika je oko 50 puta.
Ali ovdje je ključna stvar: 185 HV mjeri "ugljične nanocijevi + legura aluminijuma" cijelo - istraživanje koje istinski odražava tvrdoću samih karbonskih nanocijevi se provodi korištenjem drugog "ultra-visokog pritiska" sistema u laboratoriji.
3. Trenutak "transformacije": izvršite pritisak na ugljične nanocijevi, one postaju tvrđe od dijamanta
zaključak:Kada se ugljične nanocijevi hladno komprimiraju do iznad približno 75 GPa (750 000 atmosfera), one se transformiraju u novu ultratvrdu ugljičnu fazu sa modulom zapremine koji je veći od dijamanta.
Ovo je pravi "adut" ugljeničnih nanocevi.
3.1 Eksperiment s hladnom kompresijom: 75 GPa pokreće fazni prijelaz
Godine 2004, tim predvođen Zhongwu Wangom sa Univerziteta Arizona objavio je značajnu studiju uPNAS. Postavili su ugljične nanocijevi sa više-stina u ćeliju dijamantskog nakovnja i podesili ih na približno 100 GPa (oko 1 milion atmosfera). Otkrili su da su se na oko 75 GPa, ugljične nanocijevi transformirale u potpuno novu heksagonalnu ugljičnu fazu.
Ključni podaci:
| Parametar | Vrijednost |
|---|---|
| Bulk Modulus | 447 GPa (sa fiksiranim K′=4), što prelazi dijamantsko približno 440-442 GPa |
| Gustina | 3,6±0,2 g/cm³, uporedivo sa dijamantom |
| Povrativost | Ova faza je zadržana u ambijentalnom okruženju nakon otpuštanja pritiska |
Modul zapremine je pokazatelj "otpornosti materijala na kompresiju" - što je veći modul zapremine, to je materijal teže sabiti pod pritiskom. Faza visokog{2}}pritiska karbonskih nanocijevi premašuje dijamant u ovom pokazatelju.
3.2 Nanotwinned paketi dijamanata: Rekord-Oboriti 241 GPa
Godine 2021., tim predvođen profesorom Zhao Zhishengom i profesorom Xu Boom sa Univerziteta Yanshan objavio je istraživanje uPNAS. Koristeći visoko orijentirane filmove od ugljičnih nanocijevi sa više-stina kao prekursora, sintetizirali su dijamant sa preferencijalno orijentiranim nano-upletenim snopovima kroz tretman visokog-pritiska i visoke{3}}temperature (HPHT).
Najnevjerovatniji rezultati:
| Parametar | Vrijednost |
|---|---|
| Knoop tvrdoća | Do 241 GPa, više od 20% više od prethodnog svjetskog rekorda |
Šta znači 241 GPa? Tvrdoća neobrađenog dijamanta (prirodnog dijamanta) po Knoopu je obično između 60-100 GPa. To znači da je "nanotwinned snop dijamant" transformisan iz ugljeničnih nanocevi 2-4 puta tvrđi od običnog dijamanta.
Eksperiment je takođe otkrio da ovaj materijal pokazuje značajnu mehaničku anizotropiju: tvrdoća varira u zavisnosti od orijentacije snopova nanoudvojenih, pri čemu se najveća tvrdoća postiže kada je indenter okomit na snopove blizanaca.
4. "Teoretski plafon": trodimenzionalne kovalentne ugljične nanocijevi
zaključak:Teorijski proračuni predviđaju da bi tvrdoća po Vickersu određenih trodimenzionalnih kovalentnih ugljičnih nanocijevi polimera mogla doseći iznad 40 GPa, padajući između kubnog nitrida bora i dijamanta.
Osim eksperimentalne sinteze, naučnici su koristili prve-izračune principa za predviđanje ultratvrdih polimera ugljičnih nanocijevi koji još nisu sintetizirani.
| Ime strukture | Vickers Hardness | Karakteristike benda |
|---|---|---|
| CNP{0}}oC36 | 40,4 GPa | Poluprovodnik sa indirektnim razmakom (1,29 eV) |
| CNP{0}}oC40 | 37,1 GPa | Poluprovodnik sa indirektnim razmakom (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 (>40 GPa se općenito smatra pragom za ultratvrde materijale).
Iako su za sada još uvijek u teorijskoj fazi, ova predviđanja sugeriraju da potencijal za karbonske nanocijevi da se transformišu u trodimenzionalne ultratvrde strukture daleko prevazilazi trenutno razumijevanje.
5. Jedan sto za razumjeti: koji je "teži"?
| Test Condition / State | Dijamant | Carbon Nanotube | Pobjednik |
|---|---|---|---|
| Mohsova tvrdoća (ogrebotina) | 10 | Uporedivo sa dijamantom | Kravata |
| Normalno stanje Vickers tvrdoća | ~100 GPa | 185 HV (kompozitni materijal) | Dijamant |
| Bulk modul nakon hladnog kompresije | ~440 GPa | 447 GPa | Carbon Nanotube |
| Visok-Vikersova tvrdoća faze visokog pritiska | ~100 GPa | 241 GPa | Carbon Nanotube |
Konačan odgovor:
U normalnim uslovima:Dijamant je "tvrđi". U testovima normalnog stanja, tvrdoća dijamanta po Vickersu daleko premašuje onu kompozitnih materijala ugljikovih nanocijevi.
pod pritiskom:Ugljične nanocijevi su "tvrđe". Kada se ugljične nanocijevi komprimiraju iznad 75 GPa, transformiraju se u ultratvrdi materijal koji je tvrđi od dijamanta - bilo u smislu modula mase (447 naspram 440 GPa) ili tvrdoće po Vickersu (241 naspram ~100 GPa), one u potpunosti nadmašuju dijamant.
Ugljične nanocijevi su poput "boga rata" u svijetu materijala - i izgledaju uobičajeno u normalnim uvjetima, ali kada se njihovo "treće oko otvori" (primjeni se ekstremni pritisak), njihova tvrdoća trenutno nadmašuje dijamant i postaje "Kralj ultratvrdih materijala".
6. Shandong Tanfeng novi materijal: "baza sirovina" industrije ugljičnih nanocijevi
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. obezbjeđuje visoku-čistoću (veću od ili jednaku 98%) sa više-/jednostrukih stijenki-ugljičnih nanocijevi u prahu, služeći kao idealna sirovina za vrhunska-istraživanja kao što su fazni prijelazi visokog-pritiska.
Bilo da se radi o rekordnom-istraživanju Yanshan univerziteta-koji obara 241 GPa ili o istraživanju faznog prijelaza hladnog kompresije Univerziteta Arizone od 75 GPa, polazna tačka za oba su visoko-kvalitetne sirovine za ugljične nanocijevi.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. je upravo "izvor snage" na ovom putu od "sirovog materijala do ultratvrde".
| Advantage Dimension | Snaga novog materijala Tanfeng |
|---|---|
| Product Matrix | Cijeli asortiman ugljeničnih nanocijevi sa-dvostrukim/dvostrukim{1}}stinama/više-ugljičnim nanocijevi (SWCNT/DWCNT/MWCNT) |
| Čistoća proizvoda | Veće ili jednako 98%, dobra konzistencija serije |
| Procesi pripreme | Lučno pražnjenje, laserska ablacija, hemijsko taloženje pare (CVD); ovladavanje višestrukim procesima |
| Ključni parametri | TF-210 serija, itd.; veličina čestica 5-15 μm |
| Mehanička svojstva | Teorijski Youngov modul do 5 TPa; čvrstoća 100 puta veća od čelika; težina 1/6 od čelika |
| Izgled aplikacije | Sedam strateških pravaca uključujući nova energetska vozila, vazduhoplovstvo, željeznički tranzit |
Tim Univerziteta Yanshan uspio je sintetizirati svjetski{0}}materijal sa "tvrdoćom po Knoopu od 241 GPa" oslanjajući se na visoko-kvalitetne prekursore karbonskih nanocijevi. Sa 20 godina industrijske akumulacije ugljičnih materijala, Tanfeng New Material pruža stabilno i pouzdano osiguranje sirovina za takva vrhunska-istraživanja.
Zaključak: Šta je teže? Odgovor - Dijamant pod normalnim uslovima, ugljenične nanocevi pod pritiskom
| Država | Jače | Ključni podaci |
|---|---|---|
| Normalan pritisak i temperatura | Dijamant | Vickers tvrdoća oko 100 GPa u odnosu na CNT kompozit 185 HV |
| High Pressure (>75 GPa) | Ugljične nanocijevi | Bulk modul 447 GPa premašuje dijamant; 241 GPa je četiri puta više od dijamanta |
Debata o tvrdoći između ugljičnih nanocijevi i dijamanta na kraju daje odgovor da je funkcija - funkcija "pritiska". Primijenite dovoljan pritisak na ugljične nanocijevi i one će nadmašiti dijamant i postati "Kralj ultratvrdih materijala".
Ovo je ultimativni šarm ugljeničnih nanocevi: one mogu biti dovoljno "meke" da se savijaju u žice na nanorazmeri i dovoljno "tvrde" da nadmaše dijamant. Od rekorda od 241 GPa Univerziteta Yanshan do stabilne proizvodnje ugljičnih nanocijevi od 98% čistoće Tanfeng New Materiala, ova "debata o tvrdoći" se kreće od akademskog istraživanja do industrijske transformacije.