Jak lehké jsou uhlíkové nanotrubice?

Uhlíkové nanotrubice patří mezi nejlehčí známé materiály, s hustotou pouhých 1,3-2,1 g/cm³, mnohem nižší než má ocel (7,9 g/cm³) a hliník (2,7 g/cm³). To znamená, že při stejném objemu je hmotnost uhlíkových nanotrubic pouze 1/6 hmotnosti oceli a 1/2 hmotnosti hliníku. Ještě úžasnější je, že ačkoli jsou uhlíkové nanotrubice lehčí než hliník, jejich pevnost v tahu je 100krát větší než u oceli -, což je kombinace „lehkého, a přesto pevného“, která je v přírodě extrémně vzácná. Kompozity z uhlíkových nanotrubic již dosáhly 40% snížení hmotnosti a 20-25% zlepšení palivové účinnosti v leteckém a automobilovém průmyslu. Shandong Tanfeng New Material podporuje industrializaci tohoto super-materiálu „lehkého jako pírko, silného jako ocel“.

1. Jak lehké jsou uhlíkové nanotrubice? Sada čísel vám řekne

Závěr:Hustota uhlíkových nanotrubic je přibližně 1,3-2,1 g/cm³, což je lehčí než hliník a pouze 1/6 hustoty oceli.

Nejprve se podívejme na tvrdá data. Podle akademické literatury z laboratoře Ministerstva energetiky USA je typická hustota kompozitů uhlíkových nanotrubic (CNT) 1,3 g/cm³. Údaje o domácích produktech také potvrzují tento řád -, skutečná hustota některých komerčních produktů je přibližně 2 g/cm³, se setřesnou hustotou pouze 0,18 g/cm³. Abychom to shrnuli, zdánlivá hustota prášku uhlíkových nanotrubiček se pohybuje zhruba v rozmezí 1,3-2,1 g/cm³.

Co znamená tato "lehkost"? Porovnejme to s-výkonnými kovy, které známe z každodenního života:

Abychom uvedli intuitivní příklad: obyčejný náboj kola automobilu, pokud je vyroben z kompozitního materiálu z uhlíkových nanotrubic, může zaznamenat pokles hmotnosti z více než 20 jin (asi 10 kg) na 5-6 jin (asi 2,5-3 kg). Mohli byste ho snadno zvednout jednou rukou.

2. Proč jsou uhlíkové nanotrubice tak lehké? Tajemství spočívá v jejich „nanopostavě“

Závěr:Ultra{0}}lehká charakteristika uhlíkových nanotrubiček pochází z jejich jedinečné mikrostruktury - atomů uhlíku jsou uspořádány do šestiúhelníkového voštinového vzoru, který tvoří kruh a vytváří dutou „trubku v nanoměřítku“, přičemž vnitřek je téměř zcela prázdný.

Uhlíková nanotrubice je v podstatě „trubice“ a trubice v nanoměřítku.

Jeho mikrostruktura je následující: atomy uhlíku jsou navzájem propojeny kovalentními vazbami, čímž se vytvoří stabilní šesti{0}}členný kruhový grafenový list, a poté je tento grafenový plát „srolován“ do válce. Tento válec je dutý - uvnitř nejsou žádné atomy, pouze vzduch nebo vakuum. Válcováním jedné vrstvy vznikne jednostěnná uhlíková nanotrubice (SWCNT); válcováním více vrstev vzniká mnohostěnná uhlíková nanotrubice (MWCNT) s mezivrstvovou vzdáleností asi 0,34 nm.

Klíč k měření hmotnosti materiálu: Hustota=Hmotnost / Objem

Kovy jsou plné atomů, hustě zabaleny, takže jsou těžké. Plášť uhlíkové nanotrubice se skládá z atomů uhlíku (atomy uhlíku jsou mnohem lehčí než atomy železa nebo hliníku), vnitřek je prázdný a plášť je extrémně tenký -, takže na jednotku objemu je obsaženo velmi málo materiálu, takže je přirozeně lehký.

Použití kuchyňské analogie:Kovová stěrka je pevná a těžká; duté brčko na pití je lehké, protože má jen tenkou stěnu na povrchu. Uhlíková nanotrubička je molekulární verzí „dutého brčka na pití“.

3. Skutečně úžasná věc není "lehkost", ale "lehká a přesto silná" kombinace

Závěr:Specifická pevnost uhlíkových nanotrubic dosahuje až 500 MPa·cm³/g, což daleko převyšuje pevnost tradičních kovů, jako je ocel, hliník a titan, což z ní činí jednu z nejvyšších mezi známými konstrukčními materiály.

Kdyby to bylo jen „lehké“, nebyl by to speciální - pěnový plast je také velmi lehký, ale snadno se rozdrtí. Uhlíkové nanotrubice jsou skutečně ohromující tím, že ačkoli jsou lehké jako vzduch, jsou také neuvěřitelně pevné.

Jak jsme podrobně analyzovali v předchozím článku: pevnost v tahu uhlíkových nanotrubic může dosáhnout 50-200 GPa, což je 100krát více než u oceli. Když se tato data vynásobí dimenzí „lehkosti“, dostaneme metriku, která inženýry přivádí k šílenství – specifickou sílu (sílu ÷ hustotu).

Podívejte se na tento soubor srovnávacích údajů:

Čím vyšší je měrná pevnost, tím větší je nosnost-pro danou hmotnost. Měrná pevnost uhlíkových nanotrubiček (500) je téměř 10krát větší než u oceli (51) - lano vyrobené z uhlíkových nanotrubiček stejné hmotnosti unese téměř 10krát větší zatížení než lano z ocelového drátu.

To je důvod, proč vědci předpokládají, že pomocí uhlíkových nanotrubic postaví vesmírný výtah -, protože pouze materiál, který je „lehký jako pírko, pevný jako ocel“, by mohl vytvořit kabel táhnoucí se ze Země do vesmíru.

4. Průmyslová revoluce, kterou přinesla „lehkost“: 40% snížení hmotnosti, 25% úspora paliva

Závěr:Kompozity z uhlíkových nanotrubic již dosáhly snížení hmotnosti až o 40 % v leteckém a automobilovém průmyslu, což se přímo promítá do 20-25% zlepšení palivové účinnosti.

"Lehkost" není jen hra s čísly; hmatatelně mění průmyslovou krajinu.

Podle přehledového článku v mezinárodním akademickém časopiseMateriálová věda a inženýrství: R, kompozity z uhlíkových nanotrubiček prokázaly velký potenciál v leteckém a automobilovém průmyslu: hmotnost konstrukčních součástí lze snížit až o 40 % při zachování nebo dokonce zlepšení mechanických vlastností.

Podívejme se na skutečné-příklady aplikací:

Za zmínku stojí zejména případ Boeingu 787. Tento „Dreamliner“ široce využívá pokročilé kompozitní materiály (včetně materiálů vyztužených uhlíkovými nanotrubičkami-), čímž dosahuje nejen výrazného snížení hmotnosti, ale také umožňuje tomuto velkému dopravnímu letadlu ušetřit více než 20 % paliva ve srovnání s podobnými modely. Korejský institut vědy a technologie (KIST) šel dokonce ještě o krok dále a přímo postavil motor bez kovových cívek -, který nahradil měděný drát drátem z uhlíkových nanotrubiček, což vedlo k hmotnosti motoru pouze jedné-pětinové hmotnosti měděného motoru.

Pro letadlo:Úspora paliva=letí dále + nižší ceny letenek + nižší emise uhlíku.

Pro elektrické vozidlo:Snížení hmotnosti=delší dojezd + rychlejší zrychlení + menší baterie.

Lehkost je zlato; lehkost je soutěživost.

5. Nový materiál Shandong Tanfeng: Přeměna „lehkosti“ na prodejné produkty

Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. masově-produkuje a vyrábí „ultra-lehké“ vlastnosti uhlíkových nanotrubiček a slouží špičkovým-výrobním odvětvím, jako je letecký a kosmický průmysl a nová energetická vozidla.

Přeměna uhlíkových nanotrubic ze „zázračného materiálu“ v laboratoři na průmyslovou surovinu, kterou si inženýři mohou objednat, vyžaduje společnosti, které skutečně ovládají-technologii výroby ve velkém měřítku.

Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. je přesně takovou společností.

co to dělá?

Společnost se zaměřuje na výzkum a vývoj a výrobu mnohostěnných uhlíkových nanotrubiček (MWCNT), jednostěnných uhlíkových nanotrubiček (SWCNT), funkcionalizovaných uhlíkových nanotrubiček, vodivých past a předem-dispergovaných produktů. Čistota produktu je větší nebo rovna 97,5 %, zbytkové nečistoty katalyzátorů Fe, Co a Ni jsou menší nebo rovné 0,5 ppm, distribuce průměru trubice je úzká a konzistence vsázky-k-vsázce je CV<5%.

Jeho základní kompetence:

Tanfeng New Material také poskytuje evropským dodavatelům automobilových dílů základní směsi vícestěnných uhlíkových nanotrubiček PA12, které splňují přísné anti-statické požadavky na palivová potrubí. Když společnosti jako BMW a Boeing potřebují vysoce-výkonné lehké materiály, uhlíkové nanotrubice se z konceptu vzdálené laboratoře proměňují v hmatatelné produkty na pultech čínských společností, jako je Tanfeng.

Shrnutí: Co znamená „lehkost“ uhlíkových nanotrubic?

„Lehkost“ uhlíkových nanotrubiček nikdy nebyla jen prostým číslem nízké{0} hustoty. Jde o přenášení největší zátěže s co nejmenší hmotností, dosažení nejsilnějšího výkonu s nejmenším množstvím materiálu a vytvoření nejvyšší účinnosti s nejlehčími součástmi.

Když Shandong Tanfeng New Material nepřetržitě „vyfukuje“ tento černý prášek ze své továrny - prášek, který je lehčí než vzduch (ve sraženém stavu), ale pevnější než ocel -, signalizuje to, že „éra odlehčené hmoty“ světa materiálů skutečně nastala.