Чи дійсно вуглецеві нанотрубки в 100 разів міцніші за сталь? Відповідь - так. Теоретична міцність на розрив вуглецевих нанотрубок може сягати 50-200 ГПа, що в 100 разів перевищує щільність звичайної сталі того самого об’єму, з щільністю лише 1/6 густини сталі. Ця комбінація «легкої ваги та високої міцності» походить від структури стабільного ковалентного зв’язку між атомами вуглецю. Проте збільшення виняткової продуктивності однієї трубки до макроскопічних матеріалів (таких як волокна або кабелі) залишається глобальною проблемою: вуглецеві нанотрубки мають коротку довжину, схильні до ковзання, а вимірювана міцність набагато нижча за теоретичні значення. Як виробник, Shandong Tanfeng New Material зосереджується на технології підготовки CVD для сприяння застосуванню вуглецевих нанотрубок у високоефективних сферах, таких як аерокосмічна промисловість.
1. Звідки взялося твердження «у 100 разів міцніший за сталь»?
Висновок:Твердження про те, що вуглецеві нанотрубки «у 100 разів міцніші за сталь», має теоретичне підґрунтя - міцність на розрив однієї ідеальної вуглецевої нанотрубки може досягати 50–200 ГПа порівняно з приблизно 0,4–1,5 ГПа для звичайної сталі. Різниця становить два порядки.
«Вуглецева нанотрубка, тонша за людську волосину, може підняти автомобіль» - це твердження звучить як наукова фантастика, але воно справді базується на надійних наукових доказах.
Секрет міцності вуглецевих нанотрубок полягає в їх «скелеті». Вуглецеві нанотрубки складаються з атомів вуглецю, з’єднаних ковалентними зв’язками C=C, утворюючи ідеальну гексагональну стільникову структуру. Щоб розірвати вуглецеву нанотрубку, ці вуглецеві-вуглецеві зв’язки мають бути розірвані -, що вимагає надзвичайно великої енергії. Теоретична міцність вуглецевих нанотрубок може в 100 разів перевищувати міцність сталі, тоді як їх щільність дуже низька, лише 1/6 щільності сталі.
Давайте подивимося на детальне порівняння даних:
| Метрика ефективності | Вуглецеві нанотрубки | Звичайна сталь | множинний |
|---|---|---|---|
| Міцність на розрив | 50-200 ГПа | 0,4-1,5 ГПа | Приблизно в 100 разів |
| Щільність | 1,3-2,0 г/см³ | 7,9 г/см³ | Приблизно 1/6 |
| Модуль пружності | 1-5 ТПа | 0,2 ТПа | Більше 5 разів |
| Питома міцність (міцність ÷ щільність) | 25-100 ГПа·см³/г | 0,05-0,19 ГПа·см³/г | Сотні разів |
Завдяки цим показникам вуглецеві нанотрубки були визнані «суперволокном» і «чудом матеріалів 21{1}}століття».
2. Чому деякі люди кажуть, що «вуглецеві нанотрубки не такі міцні»?
Висновок:Прогалина полягає в етапі «збільшення» - окремі вуглецеві нанотрубки дуже міцні, але коли їх об’єднують у макроскопічні матеріали (наприклад, волокна чи плівки), міцність значно падає. Це поточне основне технічне вузьке місце.
Оскільки вуглецеві нанотрубки теоретично настільки міцні, чому ми не бачили, як «мотузки з вуглецевих нанотрубок» замінюють сталеві троси в нашому повсякденному житті? Чому «нано літаючий клинок» із «Проблеми трьох-тіл» ще не став реальним продуктом?
Відповідь така: існує величезний інженерний розрив між «однією трубою» і «пучкою».
Насправді зробити «нано літаючий клинок» дуже важко. За допомогою сучасних технічних процесів дуже важко виготовити -дальню структуру ідеального розташування атомів. «Нанолітаюче лезо» має діаметр лише один нанометр, але довжину сотні метрів. Це еквівалентно тому, що мотузка товщиною 1 міліметр має мати довжину 1 мільйон метрів, за умови, що мотузка не має дефектів.
Навіть якщо отримати над-вуглецеві нанотрубки довжиною сантиметр-, коли їх об’єднати разом, міцність на розрив все одно буде набагато нижчою, ніж у окремої вуглецевої нанотрубки. Причини багатогранні:
| Посилання на вузьке місце | Конкретна проблема | Вплив |
|---|---|---|
| Обмежена довжина | Окремі вуглецеві нанотрубки зазвичай мають довжину від десятків мікрометрів до сантиметрів | Не можна безпосередньо використовувати як макроскопічні кабелі |
| Між{0}}трубне ковзання | Вуглецеві нанотрубки з’єднані силами Ван-дер-Ваальса, що робить їх схильними до ковзання під напругою | Сила різко падає |
| Структурні дефекти | Недосконалі атомні організації існують у фактичному підготовці | Станьте точками концентрації напруги |
| Залишкова напруга | Різні труби в пучку витримують нерівномірне навантаження; деякі занадто-затягнуті, деякі надмірно{1}}ослаблені | Передчасний перелом |
Команда з Університету Цінхуа виявила, що стратегія «одночасної релаксації» - спочатку різання для зняття залишкової напруги, а потім розтягування - може підвищити міцність пучка до рівня понад 80 ГПа. Це вже великий прорив, але все ще існує розрив від теоретичної межі вуглецевих нанотрубок (приблизно 200 ГПа) і ще більша відстань від кінцевих застосувань, таких як «кабель космічного ліфта».
3. Що робить вуглецеві нанотопи «сильними»? Які ще властивості вони мають, крім міцності?
Висновок:Вуглецеві нанотрубки не лише «міцні», але й «міцні», «легкі» та «жорсткі» - вони поєднують високу міцність, високу в’язкість, малу вагу та високу твердість. Їх комплексні механічні властивості не мають собі рівних серед усіх відомих матеріалів.
Багато людей думають, що вуглецеві нанотрубки мають лише «високу міцність», але їх-універсальна здатність насправді є найдивовижнішим аспектом.
1. Висока міцність: міцний, але не крихкий
На відміну від алмазів, вуглецеві нанотрубки тверді, але також гнучкі. Під час згинання вуглецевої нанотрубки або застосування до неї осьового тиску, навіть якщо зовнішня сила перевищує межу міцності Ейлера, вуглецева нанотрубка не зламається. Натомість він піддається великому-згинанню. Коли зовнішня сила припиняється, вуглецева нанотрубка повертається до своєї початкової форми. Його теоретичне максимальне подовження може досягати 20%.
2. Висока твердість: порівнянна з алмазом
Твердість вуглецевих нанотрубок порівнянна з твердістю алмазу. Це означає, що вони можуть демонструвати надзвичайно високу зносостійкість під час випробувань на подряпини, водночас витримуючи деформацію розтягування - поєднання «твердого та міцного», яке трапляється надзвичайно рідко.
3. Над-легка щільність: 1/6 сталі
Щільність вуглецевих нанотрубок становить лише 1,3-2,0 г/см³, що навіть легше, ніж алюміній. Це дає їм надзвичайно високу «питому міцність» - несучу здатність на одиницю ваги.
| Вимір продуктивності | Продуктивність вуглецевих нанотрубок | Матеріал для порівняння |
|---|---|---|
| Сила | 50-200 ГПа | у 100 разів більше, ніж у сталі |
| Жорсткість | Можна розтягувати і згинати | Алмаз: розбивається молотком |
| Твердість | Порівняний з діамантом | Твердість алмазу за Моосом 10 |
| Щільність | 1,3-2,0 г/см³ | 1/6 сталі |
| Співвідношення сторін | Понад 1000:1 | Мінімум 20:1 для інженерних волокон |
4. Від наукової фантастики до реальності: хто рухає цією «революцією сили»?
Висновок:Китайські вчені та компанії співпрацюють - університети, такі як Цінхуа, досягають успіху у створенні «над-довгих» і «над-міцних» вуглецевих нанотрубок, тоді як такі компанії, як Shandong Tanfeng New Material, просувають їх комерційне застосування.
На шляху від лабораторії до індустріалізації вуглецевих нанотрубок китайські команди знаходяться в авангарді світу.
Межа наукових досліджень: прориви в Університеті Цінхуа
У 2018 році вони опублікували статтю вПриродні нанотехнологіїповідомляючи про пучки вуглецевих нанотрубок з міцністю на розрив понад 80 ГПа.
У 2020 році вони опублікували статтю вНаукаекспериментально продемонструвавши, що вуглецеві нанотрубки можна безперервно розтягувати в сотні мільйонів разів без руйнування.
Ці досягнення заклали міцну матеріальну основу для інженерного застосування вуглецевих нанотрубок.
Промислове застосування: макет нового матеріалу Shandong Tanfeng
Перетворення «надміцності» вуглецевих нанотрубок у реальні продукти потребує від компаній освоєння широкомасштабної-технології виробництва високо-якісних вуглецевих нанотрубок. Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. є одним із практиків у цій галузі.
Основна продукція Tanfeng New Material включає одностінні-вуглецеві нанотрубки, багато-стінні вуглецеві нанотрубки, кремнієві-вуглецеві анодні матеріали та провідні пасти. Його основні компетенції:
| Перевага нового матеріалу Tanfeng | Конкретний вміст |
|---|---|
| Процес підготовки | Masters chemical vapor deposition (CVD); purity can reach >99.5% |
| Матриця продукту | Повне покриття одностінних-, подвійних-і багатостінних-труб |
| Цільові ринки | Сім основних напрямків, включаючи аерокосмічну сферу, залізничний транспорт, енергетику вітру та транспортні засоби на новій енергії |
| Спосіб застосування | Як армуючий агент для композитних матеріалів, що забезпечує високу-міцність, легкість рішень |
В аерокосмічній галузі вуглецеві нанотрубки можна використовувати для виготовлення легких структурних компонентів фюзеляжу.
У залізничному транспорті їх можна використовувати для зменшення маси кузова транспортного засобу, зберігаючи безпеку.
У вітровій енергетиці їх можна використовувати для підвищення стійкості до втоми гігантських лопатей - це все застосування властивості вуглецевих нанотрубок «у 100 разів міцніше за сталь».
Резюме: «Міць» вуглецевих нанострічок — це і факт, і напрямок
Вуглецеві нанотрубки справді «у 100 разів міцніші за сталь» - це консенсус у галузі матеріалознавства, підтверджений надійними теоретичними та експериментальними даними. Основні факти, що підтверджують цей висновок, включають:
| Рівень | Ключові моменти |
|---|---|
| Теоретичний | Ідеальна вуглецева нанотрубка може мати міцність на розрив до 200 ГПа, що більш ніж у 100 разів перевищує щільність сталі, з щільністю лише 1/6 густини сталі |
| Експериментальний | Команда Університету Цінхуа підготувала пучки макроскопічних вуглецевих нанотрубок з міцністю на розрив понад 80 ГПа |
| Індустріалізація | Такі компанії, як Shandong Tanfeng New Material, просувають-вуглецеві нанотрубки високої чистоти на високопродуктивні-ринки, такі як аерокосмічна промисловість і автомобілі з новою енергією |
Однак ця «сила» в даний час в основному відображається на рівні окремих нанотрубок. Макроскопічне масштабування залишається глобальною технічною проблемою. При виготовленні макроскопічних матеріалів з вуглецевих нанотрубок із відмінними механічними властивостями міцність на розрив часто набагато нижча, ніж у окремої вуглецевої нанотрубки. Розв’язання таких проблем, як «між-ковзання труб», «структурні дефекти» та «залишкова напруга» — це саме той напрямок, над яким спільно працюють науковці та компанії.
Від «нано-літаючого леза» в «Проблемі трьох-тіл» до «космічного ліфта», задуманого вченими, до аерокосмічного полегшення, яке відбувається сьогодні - вуглецеві нанотрубки крок за кроком рухаються від дивовижної точки даних «у 100 разів міцніші за сталь» до інженерної реальності «справді в 100 разів міцніші за сталь».