Co je tvrdší, uhlíkové nanotrubice nebo diamant?

Co je „tvrdší“, uhlíkové nanotrubice (CNT) nebo diamant? Odpověď závisí na tom, zda na něj vyvíjíte tlak. Pokud jde o tvrdost podle Mohse, jsou oba srovnatelné - tvrdost uhlíkových nanotrubic je srovnatelná s tvrdostí diamantu. Pokud jde o tvrdost podle Vickerse, uhlíkové nanotrubice v přírodním stavu (185,1 HV) jsou mnohem nižší než diamant (řádově 10 000 HV). Když jsou uhlíkové nanotrubice lisovány za studena, dochází k zázraku: mohou vytvořit ultratvrdou fázi s objemovým modulem 447 GPa, přičemž hodnota tvrdosti vyletí z původních 185,1 HV na 241 GPa (24 100 HV), což je 4krát více než u surového diamantu (přibližně 60 GPa). To znamená: za normálních podmínek je diamant tvrdší; po úpravě vysokým-tlakem mohou uhlíkové nanotrubice překonat diamant a stát se „králem ultratvrdých materiálů“. Shandong Tanfeng New Material poskytuje vysoce-čisté více-jednostěnné/jednostěnné{19}}uhlíkové nanotrubičky, které slouží jako ideální surovina pro tento vysoce-výzkum.

1. Nejprve definujte standard: Dva typy „tvrdosti“, dvě odpovědi

Závěr:Co je „tvrdší“, uhlíkové nanotrubice nebo diamant? Záleží na tom, jaký typ tvrdosti měříte. -Mohsova tvrdost, Vickersova tvrdost a objemový modul po ultra-vysokotlaké fázové transformaci poskytují zcela odlišné odpovědi.

Termín „tvrdost“ má v materiálové vědě nejméně tři významy. Různé metody měření a různé podmínky dávají zcela odlišné závěry:

Klíčový rozdíl je:Naměřená hodnota tvrdosti uhlíkových nanotrubic v jejich přirozeném stavu je relativně nízká (zejména u kompozitů), ale jakmile jsou vystaveny extrémnímu stlačení, přemění se v ultratvrdou fázi, která je tvrdší než diamant.

Poznámka: Tvrdost podle Vickerse kompozitního materiálu z uhlíkových nanotrubiček (jako je hliníková slitina CNT/2024) je asi 185 HV. Tato hodnota odráží celkovou tvrdost kompozitu, nikoli tvrdost samotných uhlíkových nanotrubic. Výzkum tvrdosti jednotlivých uhlíkových nanotrubic se provádí především v oblasti ultra-vysokotlaké fázové transformace.

2. Zúčtování v normálním stavu: Mohsův nerozhodný výsledek, Vickersův diamant tvrdosti vítězí

Závěr:Za „normálních“ podmínek (normální tlak, pokojová teplota), se kterými se setkáváme v každodenním životě, je diamant absolutním králem tvrdosti. Tvrdost uhlíkových nanotrubic závisí hlavně na kompozitní matrici.

2.1 Tvrdost podle Mohse: krk a krk

Z pohledu „vzájemného poškrábání“ je tvrdost uhlíkových nanotrubic „srovnatelná“ s tvrdostí diamantu.

Uhlíkové nanotrubice se skládají z atomů uhlíku spojených kovalentními vazbami sp², které tvoří šesti-člennou kruhovou strukturu, zatímco diamant se skládá z trojrozměrné struktury kovalentních vazeb sp³. Obě jsou uhlíkovými-uhlíkovými vazbami- jednou z nejstabilnějších chemických vazeb v přírodě. Proto při vzájemném škrábání ani jeden nemá jasnou výhodu nad druhým.

Laicky řečeno:Diamant může poškrábat sklo a uhlíkové nanotrubice také mohou poškrábat sklo - v tomto rozměru, na obou stranách.

2.2 Tvrdost podle Vickerse: Dominuje diamant

Tvrdost podle Vickerse se měří vtlačením diamantového indentoru do povrchu materiálu a měřením hloubky vtisku. V tomto testu jsou konvenční uhlíkové nanotrubice mnohem horší než diamant:

Rozdíl je asi 50násobný.

Zde je však klíčový bod: 185 HV měří „uhlíkové nanotrubice + hliníková slitina“ celý - výzkum, který skutečně odráží tvrdost samotných uhlíkových nanotrubic, se provádí pomocí jiného „ultra-vysokotlakého“ systému v laboratoři.

3. Moment „transformace“: Aplikujte tlak na uhlíkové nanotrubice, stanou se tvrdšími než diamant

Závěr:Když jsou uhlíkové nanotrubice za studena stlačeny na hodnotu vyšší než přibližně 75 GPa (750 000 atmosfér), přemění se na novou ultratvrdou uhlíkovou fázi s objemovým modulem převyšujícím modul diamantu.

To je skutečný „trumf“ uhlíkových nanotrubic.

3.1 Experiment s kompresí za studena: 75 GPa spouští fázový přechod

V roce 2004 publikoval tým vedený Zhongwu Wangem z University of Arizona přelomovou studii v rocePNAS. Umístili mnohostěnné uhlíkové nanotrubice do diamantové kovadliny a natlakovali je na přibližně 100 GPa (asi 1 milion atmosfér). Zjistili, že při asi 75 GPa se uhlíkové nanotrubice přeměnily na zcela novou hexagonální uhlíkovou fázi.

Klíčové údaje:

Objemový modul je indikátorem „odolnosti materiálu vůči stlačení“ - čím vyšší je objemový modul, tím obtížnější je materiál stlačit pod tlakem. Fáze vysokého-tlaku uhlíkových nanotrubic v tomto ukazateli překonává diamant.

3.2 Nanotwinned Diamond Bundles: Rekord-Prolomení 241 GPa

V roce 2021 tým vedený profesorem Zhao Zhisheng a profesorem Xu Bo na Yanshan University zveřejnil výzkum vPNAS. Pomocí vysoce orientovaných více{1}}vrstvých uhlíkových nanotrubiček jako prekurzorů syntetizovali diamant s přednostně orientovanými nanotrubkovými svazky prostřednictvím vysokotlakého-vysoko{3}}tepelného zpracování (HPHT).

Nejúžasnější výsledky:

Co znamená 241 GPa? Knoopova tvrdost surového diamantu (přírodního diamantu) je typicky mezi 60-100 GPa. To znamená, že "nanotwinned bundle diamond" transformovaný z uhlíkových nanotrubic je 2-4x tvrdší než běžný diamant.

Experiment také zjistil, že tento materiál vykazuje významnou mechanickou anizotropii: tvrdost se mění v závislosti na orientaci nanotwinovaných svazků, přičemž nejvyšší tvrdosti je dosaženo, když je indentor kolmý na dvojité svazky.

4. „Teoretický strop“: Tří-rozměrné kovalentní uhlíkové nanotrubice

Závěr:Teoretické výpočty předpovídají, že Vickersova tvrdost určitých trojrozměrných kovalentních uhlíkových nanotrubičkových polymerů by mohla dosáhnout nad 40 GPa, spadající mezi kubický nitrid boru a diamant.

Kromě experimentální syntézy vědci použili první-výpočty principů k předpovědi ultratvrdých polymerů uhlíkových nanotrubiček, které dosud nebyly syntetizovány.

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 obecně považuje za prahovou hodnotu pro ultratvrdé materiály).

Ačkoli jsou tyto předpovědi zatím stále v teoretické fázi, naznačují, že potenciál uhlíkových nanotrubic přeměnit se na trojrozměrné ultratvrdé struktury daleko přesahuje současné chápání.

5. Jeden stůl k pochopení: Který je „těžší“?

Konečná odpověď:

Za normálních podmínek:Diamant je „tvrdší“. V normálních testech tvrdost diamantu podle Vickerse daleko převyšuje tvrdost kompozitních materiálů z uhlíkových nanotrubic.

Pod tlakem:Uhlíkové nanotrubice jsou „tvrdší“. Když jsou uhlíkové nanotrubice stlačeny nad 75 GPa, přemění se na ultratvrdý materiál, který je tvrdší než diamant -, ať už jde o objemový modul (447 vs 440 GPa) nebo tvrdost podle Vickerse (241 vs ~100 GPa), komplexně překonávají diamant.

Uhlíkové nanotrubice jsou jako „bůh války“ ve světě materiálů -, který se za normálních podmínek jeví jako obyčejný, ale jakmile se jejich „třetí oko otevře“ (vyvine se extrémní tlak), jejich tvrdost okamžitě předčí diamant a stane se „králem ultratvrdých materiálů“.

6. Nový materiál Shandong Tanfeng: „Základna surovin“ průmyslu uhlíkových nanotrubiček

Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. poskytuje vysoce-čistotu (větší nebo rovna 98 %) více-multistěnným/jednostěnným-práškům z uhlíkových nanotrubiček, které slouží jako ideální surovina pro špičkový-výzkum, jako jsou vysokotlaké-fázové přechody.

Ať už jde o výzkum Yanshanské univerzity-překonání rekordu 241 GPa nebo výzkum 75 GPa studené komprese fázového přechodu na univerzitě v Arizoně, výchozím bodem pro oba jsou vysoce-kvalitní suroviny z uhlíkových nanotrubiček.

Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. je přesně „zdrojová síla“ na této cestě od „suroviny k ultratvrdé“.

Tým Yanshan University dokázal syntetizovat světový-rekordní materiál s „Knoopovou tvrdostí 241 GPa“ s využitím vysoce-kvalitních prekurzorů uhlíkových nanotrubiček. Díky 20 letům průmyslové akumulace uhlíkových materiálů poskytuje Tanfeng New Material stabilní a spolehlivou záruku surovin pro takový špičkový-výzkum.

Závěr: Co je těžší? Odpověď - Diamant za normálních podmínek, uhlíkové nanotrubice pod tlakem

Debata o tvrdosti mezi uhlíkovými nanotrubičkami a diamantem nakonec dává odpověď, která je funkcí - funkcí „tlaku“. Vyviňte dostatečný tlak na uhlíkové nanotrubice a překonají diamant a stanou se „králem ultratvrdých materiálů“.

V tom spočívá největší kouzlo uhlíkových nanotrubiček: mohou být dostatečně „měkké“, aby se stočily do drátů v nanoměřítku, a dostatečně „tvrdé“, aby předčily diamant. Od rekordu 241 GPa na Yanshanské univerzitě ke stabilnímu výstupu uhlíkových nanotrubic s čistotou 98 % nebo vyšší než 98 % se tato „debata o tvrdosti“ posouvá od akademického zkoumání k průmyslové transformaci.