Ugljične nanocijevi i dijamanti imaju uporedivu tvrdoću, ali njihove definicije "tvrde" su različite. U pogledu tvrdoće na grebanje (tvrdoća po Mohsu), dijamant je 10, najviši među prirodnim mineralima. Ugljične nanocijevi nemaju standardnu Mohs-ovu vrijednost tvrdoće, ali njihova sposobnost grebanja je uporediva sa onim kod dijamanta. Što se tiče tvrdoće po Vickersu (otpornost na udubljenje), dijamant je 7140-15300 HV, dok su ugljenične nanocijevi približno 1000-2000 HV. Međutim, istraživanje je sintetiziralo trodimenzionalne kovalentno vezane ugljične nanocijevi s tvrdoćom po Vickersu od 82,8 GPa. Što se tiče žilavosti, karbonske nanocijevi su 100 puta jače od čelika i mogu se rastegnuti. Dijamanti su, iako tvrdi, vrlo krti i mogu se razbiti čekićem.zaključak:U tvrdoći ogrebotine, dijamant ≈ ugljična nanocijev; u udarnoj žilavosti, karbonska nanocijev u potpunosti nadmašuje 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 osvaja samo prvu, ali gubi drugu.
Prije nego što uporedimo karbonske nanocijevi i dijamante, potrebno je razjasniti: šta zapravo znači "tvrdoća"?
Mnogi ljudi pogrešno vjeruju da visoka tvrdoća znači "ne može se slomiti čekićem". Ovo je zabluda.
Profesionalno, tvrdoća se uglavnom dijeli na dvije vrste:
| Vrsta tvrdoće | Measurement Method | Zajedničko tumačenje | Reprezentativni materijal |
|---|---|---|---|
| Tvrdoća ogrebotina (tvrdoća po Mohsu) | Zagrebite minerale jedan o drugi da vidite koji ostavlja trag | "otpornost na habanje" | Dijamant, ocjena 10 (najviša) |
| Vickers tvrdoća (tvrdoća udubljenja) | Utisnite dijamantski utiskivač u površinu materijala | "Otpornost na deformacije pod pritiskom" | Diamond 7140-15300 HV |
| Otpornost na udar | Udarac čekićem, test pada | "otpornost na udar" | Dijamant je vrlo krhak i lako se lomi |
dijamant:Mohsova tvrdoća 10, najveća među prirodnim mineralima. Međutim, ima "oktaedarski rascjep" - kada se sila primjenjuje u određenom smjeru, čak i mala količina može uzrokovati njegovo cijepanje. Udaranje dijamanta čekićem razbiće ga u prah. To nije zato što je njegova tvrdoća nedovoljna, već zato što je velika lomljivost.
Ugljične nanocijevi:Sastoji se od atoma ugljika povezanih kovalentnim vezama C=C, jedne od najstabilnijih hemijskih veza u prirodi. Njihova Mohsova tvrdoća nema standardnu vrijednost, ali njihova sposobnost grebanja je "uporediva" sa dijamantom. Ključna stvar je da ugljične nanocijevi također "imaju dobru fleksibilnost i mogu se rastegnuti".
Da koristim analogiju:Dijamant je poput komada stakla - površina je izuzetno tvrda i otporna na habanje-ali se razbije kada se ispusti na pod. Ugljične nanocijevi su poput čelične žice -, mogu i ogrebati staklo, ali se također mogu saviti, rastegnuti i nelomljive.
2. Neka podaci govore: Ugljične nanocijevi naspram dijamanata - Što je jače?
zaključak:U smislu vlačne čvrstoće i specifične čvrstoće (čvrstoća ÷ gustina), ugljične nanocijevi su "super vlakno" kojem dijamant ne može parirati. Što se tiče tvrdoće po Vickersu, prirodne ugljične nanocijevi nisu tvrde kao dijamant, ali su joj se umjetno sintetizirane varijante približile ili čak nadmašile.
Pogledajmo direktno poređenje podataka:
| metrika performansi | Dijamant | Ugljična nanocijev (CNT) |
|---|---|---|
| Mohs Hardness | 10 (najviše od prirodnih minerala) | "Uporedivo" sa dijamantom |
| Vickers tvrdoća (HV) | 7140-15300 Hv | Približno 1000-2000 Hv (za jednu cijev) |
| Zatezna čvrstoća | ~2-3 GPa (niži sa defektima) | 50-200 GPa |
| Modul elastičnosti | ~1,0-1,2 TPa | 1-5 TPa |
| Gustina | 3,5 g/cm³ | 1,3-2,0 g/cm³ |
| Specifična snaga (snaga/gustina) | ~0,6-0,9 GPa·cm³/g | 25-100 GPa·cm³/g (100 puta više od čelika) |
| Fleksibilnost | Izuzetno krhka, ima ravni dekoltea | Može se rastegnuti i savijati |
| Otpornost na udarce | Može se razbiti čekićem | Ultra{0}}visoka žilavost, može se koristiti u pancirima |
Nekoliko od ovih tačaka podataka vrijedi pažljivo ispitati:
1. Zatezna čvrstoća: Ugljične nanocijevi u potpunosti pobjeđuju
Zatezna čvrstoća ugljeničnih nanocijevi je 50-200 GPa. Iako je dijamant tvrd, nije dobar u „odopremanju napetosti“. Da koristimo analogiju: Dijamant je poput staklene cigle - ne može se zdrobiti, ali se lako lomi kada se povuče.
2. Modul elastičnosti: Ugljične nanocijevi nešto bolje
Modul elastičnosti mjeri "sposobnost otpornosti na deformaciju." Dijamant je otprilike 1,0-1,2 TPa. Teoretska vrijednost za ugljične nanocijevi može doseći 5 TPa, sa izmjerenim vrijednostima obično u rasponu od 1-1,8 TPa. Što se tiče "krutosti", oni su otprilike ekvivalentni, s tim da karbonske nanocijevi imaju čak i blagu ivicu.
3. Specifična snaga: Ugljične nanocijevi dominiraju svime
Specifična snaga=snaga ÷ gustina, koja mjeri "koliku vučnu silu može izdržati jedinična težina." Specifična čvrstoća ugljeničnih nanocevi je 100 puta veća od čelika, dostižući 25-100 GPa·cm³/g. To znači: da ste napravili uže od ugljičnih nanocijevi, ono bi bilo 100 puta jače od čeličnog užeta iste težine. To je i razlog zašto je naučnofantastični roman "Problem tri tijela" koristio "nano leteće oštrice" za prosijecanje džinovskih brodova i zašto naučnici predviđaju korištenje karbonskih nanocijevi za izgradnju "svemirskog lifta".
4. Ultra-ugljične nanocijevi: novo naučno otkriće
Studija iz 2022. godine dizajnirala je trodimenzionalnu kovalentno vezanu ugljičnu nanocijev kroz teorijske proračune. Njegova tvrdoća po Vickersu dostigla je 82,8 GPa, uporedivo sa kubnim borovim nitridom. Druga studija iste godine je predvidjela dva metastabilna polimera ultra-ugljičnih nanocijevi sa tvrdoćom po Vickersu od 40,4 GPa i 37,1 GPa, respektivno.
Ovi podaci pokazuju da ugljenične nanocevi ne samo da mogu pobediti dijamant u pogledu žilavosti, već im naučnici omogućavaju i da nadmaše dijamant u pokazatelju "tvrdoće".
3. Da li je "Nano leteća oštrica" stvarna? Koliko su jake ugljenične nanocevi?
zaključak:"Nano leteća oštrica" iz "The Three-Problema tijela" koja seče kroz džinovske brodove zasnovana je na karbonskim nanocijevima. U stvarnosti, teorijska čvrstoća ugljeničnih nanocevi je zaista dovoljna da „proseče metal poput blata“.
U naučnofantastičnom romanu "The Three-Problem s tijelom", "nano leteća oštrica" samo jedna-desetina debljine ljudske kose može isjeći džinovski brod poput tofua. Ovaj koncept nije osmišljen iz zraka - njegov prototip je karbonska nanocijev.
Šta ugljične nanocijevi mogu postići u stvarnosti?
100 puta jači od čelika:Svežanj ugljeničnih nanocevi tanjih od ljudske kose teoretski bi mogao da podigne automobil.
Jače od bilo kojeg vlakna:Ugljične nanocijevi su daleko superiornije od svih poznatih vlakana u snazi i žilavosti.
Svemirski lift nije san:Naučnici vjeruju da su karbonske nanocijevi najbolji kandidatski materijal za izradu kabla "svemirskog lifta".
Naravno, trenutno tehničko usko grlo leži u tome kako replicirati izuzetne performanse pojedinačne ugljične nanocijevi u makroskopskom materijalu. Ovo je težak problem na kojem naučnici širom svijeta rade na prevazilaženju.
4. Kako novi materijal Tanfeng proizvodi ovaj "super materijal"
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. transformira izvrsna mehanička svojstva karbonskih nanocijevi u proizvode masovne{2}}proizvodnje, donoseći "super materijal" iz laboratorija.
Teorija je jedno, ali istinska primjena "supermoći" karbonskih nanocijevi na stvarne proizvode zahtijeva kompanije koje ovladaju velikim{0}}tehnologijama proizvodnje.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. je upravo takva kompanija.
šta to radi?Kompanija se fokusira na istraživanje i razvoj i proizvodnju praha ugljeničnih nanocijevi, provodljive paste i silicijum{0}}ugljičnih anodnih materijala. Njegovi proizvodi pokrivaju cijeli asortiman ugljičnih nanocijevi sa-ugljičnim nanocijevima sa jednim zidom i više{3}}ugljikovih nanocijevi.
Koja je njegova tehnička mogućnost?
Posjeduje više od deset aktivnih patenata vezanih za ugljične nanocijevi.
Ovladava različitim procesima pripreme uključujući lučno pražnjenje, lasersku ablaciju i hemijsko taloženje pare (CVD).
Čistoća proizvoda veća ili jednaka 98%; veličina čestica praha može doseći 5-15 μm.
Mjesečna proizvodnja dostiže 200 tona, već u masovnoj proizvodnji.
Gdje primjenjuje mehanička svojstva ugljičnih nanocijevi?Teoretski Youngov modul Tanfengovih proizvoda od ugljičnih nanocijevi može doseći 5 TPa, sa čvrstoćom približno 100 puta većom od čelika i gustinom samo 1/6 od čelika. Ova odlična mehanička svojstva se koriste u sljedećim poljima:
| Polje aplikacije | Specifična upotreba | Uloga ugljeničnih nanocevi |
|---|---|---|
| Vazduhoplovstvo | Komponente trupa i krila | Ultra-visoka čvrstoća + ultra-lagana težina |
| Rail Transit | Lagani materijali za karoserije vozova | Smanjuje težinu uz održavanje snage |
| Wind Power | Divovske oštrice | Otpornost na zamor, dug radni vek |
| Napredni polimerni materijali | Kompoziti{0}}visokih performansi | Poboljšava mehanička svojstva |
| Elastomeri | Gumeni proizvodi visoke{0}}otpornosti{1} na habanje | Poboljšava snagu i otpornost na habanje |
Kompanija pomno prati nacionalnu strategiju razvoja za novu energiju i nove materijale, sa svojim obimom poslovanja koji se širi širom zemlje, sa težnjom da postane „provajder naprednih materijala i tehničkih usluga“.
Sažetak jedne-rečenice:Dok naučnici dokazuju u laboratorijama da su ugljenične nanocevi "super vlakno", kompanije poput Tanfeng New Materiala pretvaraju ih u proizvode koje možete kupiti.
Zaključak: Šta je teže? Odgovor zavisi od toga kako definišete "teško"
| Ako se pitate za... | Odgovor je... |
|---|---|
| Koji je otporniji-na habanje (tvrdoća na ogrebotine) | Dijamant ≈ Ugljična nanocijev (uporedivo); dijamant je najveći među prirodnim mineralima |
| Koji je otporniji na kompresiju (Vickers tvrdoća) | Dijamant je veći, ali ultra-nanocijevi su mu se približile ili čak nadmašile |
| Koji je otporniji na napetost (zatezna čvrstoća) | Ugljična nanocijev potpuno pobjeđuje, desetine puta jača od dijamanta |
| Koji je otporniji na udarce (žilavost) | Ugljična nanocijev potpuno pobjeđuje; dijamant se razbija čekićem |
| Što je generalno jače (sveobuhvatne performanse) | Ugljična nanocijev - tvrda, jaka, čvrsta i lagana |
Konačan zaključak je:
U tradicionalnom smislu "otpornosti na habanje", dijamantske i karbonske nanocevi imaju svoje prednosti. Ali u smislu "sveobuhvatnih mehaničkih svojstava" - posebno zatezne čvrstoće, žilavosti i specifične čvrstoće - ugljične nanocijevi su neosporni kralj.
Dijamant je "najtvrđi prirodni mineral na Zemlji", ali ugljične nanocijevi su "najjača vlakna napravljena od strane ljudi".
Kao što je jedan naučnik o materijalima rekao: "Dijamant je kralj prošlosti; ugljenične nanocevi su kamen temeljac budućnosti."
A kako se ovaj budući materijal masovno-proizvodi u Shandong Tanfengu, možemo reći: era ugljeničnih nanocijevi je stigla.