Uhlíkové nanotrubice a diamanty mají srovnatelnou tvrdost, ale jejich definice „tvrdého“ se liší. Pokud jde o tvrdost vrypu (tvrdost podle Mohse), diamant je 10, nejvyšší mezi přírodními minerály. Uhlíkové nanotrubice nemají standardní Mohsovu hodnotu tvrdosti, ale jejich schopnost poškrábání je srovnatelná s diamantem. Pokud jde o tvrdost podle Vickerse (odolnost proti vtlačení), diamant je 7140-15300 HV, zatímco uhlíkové nanotrubice jsou přibližně 1000-2000 HV. Výzkum však syntetizoval trojrozměrné kovalentně vázané uhlíkové nanotrubice s tvrdostí podle Vickerse 82,8 GPa. Pokud jde o houževnatost, uhlíkové nanotrubice jsou 100krát pevnější než ocel a lze je roztáhnout. Diamanty, i když jsou tvrdé, jsou velmi křehké a mohou být rozbity kladivem.Závěr:V tvrdosti vrypu diamant ≈ uhlíková nanotrubice; v rázové houževnatosti uhlíkové nanotrubice zcela předčí diamant.
1. Nejprve pochopte „tvrdost“: Znamená různé věci
Závěr:V každodenním životě má slovo „tvrdý“ ve skutečnosti dva významy - tvrdost proti poškrábání (odolnost proti opotřebení) a odolnost proti nárazu. Diamond vyhraje pouze první, ale prohraje druhou.
Před porovnáním uhlíkových nanotrubic a diamantů je třeba si ujasnit: co vlastně znamená „tvrdost“?
Mnoho lidí se mylně domnívá, že vysoká tvrdost znamená „nelze zlomit kladivem“. To je mylná představa.
Profesionálně se tvrdost dělí hlavně na dva typy:
| Typ tvrdosti | Metoda měření | Společný výklad | Reprezentativní materiál |
|---|---|---|---|
| Tvrdost poškrábání (tvrdost podle Mohse) | Poškrábejte minerály proti sobě, abyste viděli, který zanechává stopu | "Odolnost proti opotřebení" | Diamant, stupeň 10 (nejvyšší) |
| Tvrdost podle Vickerse (tvrdost vtisku) | Do povrchu materiálu zatlačte diamantový indentor | "Odolnost proti deformaci pod tlakem" | Diamant 7140-15300 HV |
| Rázová houževnatost | Úder kladivem, test pádem | "Odolnost proti nárazu" | Diamant je velmi křehký a snadno se rozbije |
Diamant:Mohsova tvrdost 10, nejvyšší mezi přírodními minerály. Má však „oktaedrické štěpení“ -, když je síla aplikována v určitém směru, dokonce i malé množství může způsobit jeho rozštěpení. Udeřením kladivem do diamantu se roztříští na prášek. Není tomu tak proto, že by jeho tvrdost byla nedostatečná, ale proto, že jeho křehkost je vysoká.
Uhlíkové nanotrubice:Skládá se z atomů uhlíku spojených kovalentními vazbami C=C, jedna z nejstabilnějších chemických vazeb v přírodě. Jejich Mohsova tvrdost nemá standardní hodnotu, ale jejich schopnost poškrábání je "srovnatelná" s diamantem. Klíčovým bodem je, že uhlíkové nanotrubice také „mají dobrou flexibilitu a lze je natáhnout“.
Chcete-li použít analogii:Diamant je jako kus skla - povrch je extrémně tvrdý a odolný- proti opotřebení, ale při pádu na podlahu se rozbije. Uhlíkové nanotrubice jsou jako ocelový drát -, mohou také poškrábat sklo, ale také je lze ohýbat, natahovat a jsou nerozbitné.
2. Nechte mluvit data: Uhlíkové nanotrubičky vs. diamanty - Která je silnější?
Závěr:Pokud jde o pevnost v tahu a měrnou pevnost (síla ÷ hustota), uhlíkové nanotrubice jsou „super vlákno“, kterému se diamant nevyrovná. Z hlediska tvrdosti podle Vickerse nejsou přírodní uhlíkové nanotrubice tvrdé jako diamant, ale uměle syntetizované odrůdy se jí přiblížily nebo dokonce překonaly.
Podívejme se přímo na srovnání dat:
| Metrika výkonu | Diamant | uhlíkové nanotrubice (CNT) |
|---|---|---|
| Mohsova tvrdost | 10 (nejvyšší mezi přírodními minerály) | "Srovnatelné" s diamantem |
| Tvrdost podle Vickerse (HV) | 7140-15300 Hv | Přibližně 1000-2000 Hv (pro jednu trubku) |
| Pevnost v tahu | ~2-3 GPa (nižší s defekty) | 50-200 GPa |
| Elastický modul | ~1,0-1,2 TPa | 1-5 TPa |
| Hustota | 3,5 g/cm³ | 1,3-2,0 g/cm³ |
| Specifická síla (síla/hustota) | ~0,6-0,9 GPa·cm3/g | 25-100 GPa·cm³/g (100krát více než ocel) |
| Flexibilita | Extrémně křehký, má štěpné plochy | Lze natáhnout a ohnout |
| Odolnost proti nárazu | Lze rozbít kladivem | Ultra-vysoká houževnatost, lze ji použít v neprůstřelných vestách |
Některé z těchto datových bodů stojí za to důkladně prozkoumat:
1. Pevnost v tahu: Uhlíkové nanotrubice zcela vítězí
Pevnost v tahu uhlíkových nanotrubic je 50-200 GPa. Přestože je diamant tvrdý, není dobrý v „odolávání napětí“. Abychom použili přirovnání: Diamant je jako skleněná cihla – nelze ho rozdrtit, ale při tahu se snadno rozbije.
2. Elastický modul: Uhlíkové nanotrubičky o něco lepší
Modul pružnosti měří "schopnost odolávat deformaci." Diamant je přibližně 1,0-1,2 TPa. Teoretická hodnota pro uhlíkové nanotrubice může dosáhnout 5 TPa, s naměřenými hodnotami typicky v rozmezí 1-1,8 TPa. Pokud jde o „tuhost“, jsou zhruba ekvivalentní, přičemž uhlíkové nanotrubice mají dokonce nepatrný okraj.
3. Specifická síla: Uhlíkové nanotrubice dominují všemu
Měrná síla=síla ÷ hustota, měřící "jak velkou tažnou sílu vydrží jednotková hmotnost." Specifická pevnost uhlíkových nanotrubic je 100krát větší než u oceli a dosahuje 25-100 GPa·cm³/g. To znamená: pokud byste vyrobili lano z uhlíkových nanotrubiček, bylo by 100krát pevnější než ocelové lano stejné hmotnosti. To je také důvod, proč vědeckofantastický román „Problém tří těl“ používal „nano létající lopatky“ k proříznutí obřích lodí a proč vědci předpokládají použití uhlíkových nanotrubiček ke stavbě „vesmírného výtahu“.
4. Ultra-tvrdé uhlíkové nanotrubice: Nový vědecký průlom
Studie z roku 2022 navrhla pomocí teoretických výpočtů trojrozměrnou kovalentně vázanou uhlíkovou nanotrubici. Jeho tvrdost podle Vickerse dosáhla 82,8 GPa, což je srovnatelné s kubickým nitridem boru. Jiná studie téhož roku předpověděla dva metastabilní ultra-tvrdé uhlíkové nanotrubičkové polymery s tvrdostí podle Vickerse 40,4 GPa a 37,1 GPa.
Tato data ukazují, že uhlíkové nanotrubice mohou nejen porazit diamant z hlediska houževnatosti, ale vědci jim také umožňují překonat diamant v ukazateli „tvrdosti“.
3. Je „Nano Flying Blade“ skutečný? Jak silné jsou uhlíkové nanotrubice?
Závěr:„Nano létající čepel“ z „The Three-Body Problem“, která prořezává obří lodě, je založena na uhlíkových nanotrubičkách. Ve skutečnosti je teoretická síla uhlíkových nanotrubic skutečně dostatečná k tomu, aby „prořízly kov jako bláto“.
Ve sci-fi románu „Problém tří{0}}těl“ dokáže „nano létající čepel“ pouze- desetina tloušťky lidského vlasu rozříznout obří loď jako tofu. Tento koncept nebyl vykouzlen ze vzduchu - jeho prototypem je uhlíková nanotrubice.
Čeho mohou uhlíkové nanotrubice ve skutečnosti dosáhnout?
100krát pevnější než ocel:Svazek uhlíkových nanotrubiček tenčích než lidský vlas by teoreticky mohl zvednout auto.
Silnější než jakékoli vlákno:Uhlíkové nanotrubice jsou mnohem lepší než jakákoli známá vlákna v pevnosti i houževnatosti.
Vesmírný výtah není sen:Vědci se domnívají, že uhlíkové nanotrubice jsou nejlepším kandidátským materiálem pro výrobu kabelu „vesmírného výtahu“.
Současné technické úzké hrdlo samozřejmě spočívá v tom, jak replikovat výjimečný výkon jednotlivé uhlíkové nanotrubice v makroskopickém materiálu. To je obtížný problém, na jehož překonání vědci z celého světa pracují.
4. Jak nový materiál Tanfeng vyrábí tento „super materiál“
Společnost Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. přeměňuje vynikající mechanické vlastnosti uhlíkových nanotrubiček na hromadně -vyrobitelné produkty a přináší „super materiál“ z laboratoře.
Teorie je jedna věc, ale skutečné použití „superschopností“ uhlíkových nanotrubiček na skutečné produkty vyžaduje společnosti, které 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 prášku z uhlíkových nanotrubiček, vodivých past a materiálů křemíkových -uhlíkových anod. Její produkty pokrývají celou řadu jednostěnných uhlíkových nanotrubiček a vícestěnných uhlíkových nanotrubic.
Jaká je jeho technická způsobilost?
Je držitelem více než deseti aktivních patentů týkajících se uhlíkových nanotrubic.
Zvládá různé procesy přípravy včetně obloukového výboje, laserové ablace a chemického nanášení par (CVD).
Čistota produktu Vyšší nebo rovna 98 %; velikost částic prášku může dosáhnout 5-15 μm.
Měsíční produkce dosahuje 200 tun, již v sériové výrobě.
Kde uplatňuje mechanické vlastnosti uhlíkových nanotrubic?Teoretický Youngův modul produktů z uhlíkových nanotrubic Tanfeng může dosáhnout 5 TPa, s pevností přibližně 100krát větší než ocel a hustotou pouze 1/6 než u oceli. Tyto vynikající mechanické vlastnosti se využívají v následujících oblastech:
| Oblast použití | Specifické použití | Role uhlíkových nanotrubic |
|---|---|---|
| Aerospace | Konstrukční prvky trupu a křídla | Ultra-vysoká pevnost + ultra-nízká hmotnost |
| Železniční tranzit | Lehké materiály pro nástavby vlaků | Snižuje hmotnost při zachování pevnosti |
| Větrná energie | Obří čepele | Odolnost proti únavě, dlouhá životnost |
| Pokročilé polymerní materiály | Vysoce{0}}výkonné kompozity | Zlepšuje mechanické vlastnosti |
| Elastomery | Pryžové výrobky s vysokou-otěruvzdorností- | Zlepšuje pevnost a odolnost proti opotřebení |
Společnost úzce dodržuje národní strategii rozvoje pro novou energii a nové materiály, přičemž její obchodní působnost je celostátní a usiluje o to stát se „poskytovatelem pokročilého materiálu a poskytovatelem technických služeb“.
Shrnutí jedné-věty:Zatímco vědci v laboratořích dokazují, že uhlíkové nanotrubice jsou „super vlákno“, společnosti jako Tanfeng New Material je přeměňují na produkty, které si můžete koupit.
Závěr: Co je těžší? Odpověď závisí na tom, jak definujete "těžké"
| Pokud se ptáte na... | Odpověď je... |
|---|---|
| Která je odolnější- proti opotřebení (tvrdost proti poškrábání) | Diamant ≈ Uhlíkové nanotrubice (srovnatelné); diamant je nejvyšší mezi přírodními minerály |
| Která je odolnější vůči stlačení (tvrdost podle Vickerse) | Diamant je vyšší, ale ultra{0}}tvrdé uhlíkové nanotrubice se mu přiblížily nebo dokonce překonaly |
| Která je odolnější vůči tahu (pevnost v tahu) | Zcela vítězí uhlíkové nanotrubice, desítkykrát silnější než diamant |
| Která je odolnější vůči nárazu (houževnatost) | Uhlíkové nanotrubice zcela vítězí; diamant se rozbije kladivem |
| Což je celkově silnější (komplexní výkon) | Uhlíkové nanotrubice - tvrdé, pevné, houževnaté a lehké |
Konečný závěr je:
V tradičním smyslu „odolnosti proti opotřebení“ mají diamantové a uhlíkové nanotrubice své výhody. Ale z hlediska „komplexních mechanických vlastností“ - jsou nesporným králem zejména pevnost v tahu, houževnatost a specifická pevnost - uhlíkové nanotrubice.
Diamant je „nejtvrdší přírodní minerál na Zemi“, ale uhlíkové nanotrubice jsou „nejpevnější vlákno vyrobené lidmi“.
Jak řekl jeden materiálový vědec: "Diamant je králem minulosti; uhlíkové nanotrubice jsou základním kamenem budoucnosti."
A protože tento budoucí materiál masově-vyrábí Shandong Tanfeng, můžeme říci: nastala éra uhlíkových nanotrubic.