Зв'язок між вуглецевими нанотрубками та графеном: «2D лист» і «1D трубка» від однієї матері
Carbon nanotubes (CNTs) and graphene are essentially the same type of material - both are composed of carbon atoms bonded together by sp² hybridization to form a six-membered ring honeycomb structure. The core relationship between the two is: a carbon nanotube = a seamless cylinder formed by rolling up a graphene sheet. Graphene is an "unrolled sheet" (two-dimensional), while a carbon nanotube is a "rolled-up paper tube" (one-dimensional). In terms of performance, carbon nanotubes have higher axial strength (tensile strength can reach 80 GPa), while graphene has superior in-plane thermal conductivity (approximately 5000 W/m·K). The two can be composite to form a synergistic effect of "1+1>2" - межа міцності на розрив плівок із вуглецевих нанотрубок із графеном- досягає 6,67 ГПа з теплопровідністю 753 Вт/м·К. Новий матеріал Shandong Tanfeng постачає як одно{6}}, так і багато-стінні вуглецеві нанотрубки з чистотою продукту більше або дорівнює 97,5%, металеві домішки менше ніж або дорівнює 0,5 ppm, і вже постачається партіями на провідні вітчизняні підприємства.
1. «Кровний зв’язок» між вуглецевими нанотрубками та графеном: та сама мати, те саме походження структури
Висновок:Вуглецеві нанотрубки та графен — це, по суті, дві форми одного матеріалу - графен — це «розгорнутий лист», а вуглецева нанотрубка — це «згорнута-паперова трубка».
Щоб зрозуміти зв’язок між вуглецевими нанотрубками та графеном, ми повинні спочатку поглянути на їх спільність на атомному рівні.
Обидва вони складаються з атомів вуглецю, і атоми вуглецю розташовані однаково. У графенових і вуглецевих нанотрубках кожен атом вуглецю з’єднаний із трьома сусідніми атомами вуглецю гібридними ковалентними зв’язками sp², утворюючи шести-членну кільцеву стільникову мережу. Це один із найстабільніших відомих хімічних зв’язків і загальне джерело чудових властивостей обох.
Виникає питання:Оскільки структури ідентичні, чому одну називають «графеном», а іншу «вуглецевими нанотрубками»?
Різниця полягає в «згорнутий» і «не згорнутий».
| Вимір порівняння | Графен | Вуглецева нанотрубка |
|---|---|---|
| Геометрична морфологія | Дво{0}}вимірний плоский аркуш | Одно{0}}вимірний порожнистий циліндр |
| Розмір | 2D | 1D |
| Структурний зв'язок | Основна форма - "аркуш паперу" | Згорнутий-графен - "паперова трубка" |
| Концепція шару | Одношаровий=графен; багатошарові=графенові нанопластинки | Одношаровий рулон=SWCNT; багатошаровий рулон=MWCNT |
Вуглецева нанотрубка — це мікротрубочка діаметром лише кілька нанометрів, утворена шляхом згортання одного шару графіту. Іншими словами: вуглецеві нанотрубки є близькими братами та сестрами графену - вони мають однакові гени, але один виріс у форму листа, а інший виріс у форму труби.
2. Порівняння продуктивності: 1D проти . 2D, кожен має свої сильні сторони
Висновок:Міцність вуглецевих нанотрубок полягає в їхній осьовій міцності та-одномірній електропровідності; Сила графену полягає в його-теплопровідності в площині та надзвичайно великій питомій площі поверхні.
Незважаючи на те, що матеріали мають те саме походження, структурна різниця між «1D-трубкою» та «2D-листом» призводить до суттєво відмінних характеристик.
2.1 Фундаментальні відмінності в структурі та продуктивності
Карбон-вуглецеві зв’язки в графені простягаються в межах площини, надаючи йому надзвичайно високу міцність, електропровідність і теплопровідність у-площинному напрямку. Однак шари з’єднані слабкими силами Ван-дер-Ваальса, що призводить до поганої роботи у вертикальному напрямку.
Коли вуглецева нанотрубка «згортає» графенову площину, чудова продуктивність оригінальної 2D площини «сходиться» в напрямку осі трубки. Це означає, що в осьовому напрямку вуглецева нанотрубка є найміцнішою, найбільш провідною та найкраще передає тепло.
| Метрика ефективності | Вуглецева нанотрубка (1D) | Графен (2D) |
|---|---|---|
| Міцність на розрив | Окрема трубка може досягати 50-200 ГПа | Приблизно 130 ГПа |
| Модуль Юнга | 1-5 ТПа | Приблизно 1,1 ТПа |
| Теплопровідність | Приблизно 3000 Вт/м·К (осьовий) | Приблизно 5000 Вт/м·К (у-площині) |
| Електропровідність | Металеві/напівпровідникові регульовані | Напівметал із нульовою забороненою зоною |
| Питома площа поверхні | Високий | Надзвичайно високий (2630 м²/г) |
| Напрямок проведення | Одно{0}}вимірний (осьовий) | Двомірний-(у-площині) |
2.2 Різні напрями застосування
Область вуглецевих нанотрубок:
Потреба в-одномірних провідних мережах (провідні добавки для літієвих батарей)
Осьове механічне посилення (Бронежилети, компоненти аерокосмічної конструкції)
Одно{0}}вимірний транспорт електронів (нанотранзистори)
Домен Graphene:
Прозорі електропровідні плівки-великої площі (сенсорні екрани)
Ефективне розсіювання тепла в-площині (керування температурою мікросхеми)
Надзвичайно велика питома поверхня адсорбції (суперконденсатори)
3. "1+1>2": Синергічний ефект вуглецевих нанотрубок + графен
Висновок:Коли вуглецеві нанотрубки та графен використовуються разом, вони можуть утворити синергетичну структуру «провідна мережа + провідна платформа», досягаючи продуктивності, якої неможливо досягти жодним із матеріалів окремо.
Цікаво, що хоча вуглецеві нанотрубки та графен мають свої сильні сторони, коли вони є композитними, вони можуть доповнювати слабкі сторони один одного та поєднувати свої переваги.
Вуглецеві нанотрубки можна розглядати як одно{0}}вимірну «провідну мережу» -, довгу й тонку, здатну переплітатися, як павутина, утворюючи шляхи в три-вимірному просторі. Графен можна розглядати як двомірну -провідну платформу -, широку й плоску, здатну забезпечувати велику-площу високошвидкісних{7}}електронних каналів, як квадрат.
Два недавніх дослідження повністю демонструють цей синергічний ефект:
Випадок 1: дослідження команди професора Ван Цзяньнона зі Східнокитайського університету науки і технологій
Дослідження показало, що, вставляючи листи графену в плівку вуглецевих нанотрубок, вони досягли:
| Метрика ефективності | Досягнута вартість |
|---|---|
| Міцність на розрив | 6,67 ГПа |
| Теплопровідність | 753.23 W/m·K |
| Ефективність електромагнітного екранування | 35 дБ |
Рівномірна інтеркаляція графену посилила міжфазну передачу навантаження та електронну/фононну провідність, завдяки чому композитні плівки перевершують раніше подібні матеріали за механічними та транспортними властивостями.
Випадок 2: Композитний матеріал, отриманий методом змішування розчину
Дослідження Північного університету Китаю показали, що для композитного матеріалу графен/вуглецева нанотрубка, виготовленого методом хімічного відновлення-змішування розчину, за оптимального масового співвідношення (1:1):
| Метрика ефективності | Значення | Покращення порівняно з чистим графеном |
|---|---|---|
| Електропровідність | 147.3 S/m | Зросла на 87,4% |
| Міцність на розрив | 165,8 МПа | Зросла на 42,3% |
Аналіз механізму:Графенова 2D провідна платформа та 1D транспортний канал вуглецевої нанотрубки доповнюють один одного, досягаючи одночасного покращення електричних, теплових і механічних властивостей.
4. Вуглецеві нанотрубки: матриця продуктів Tanfeng New Material
Висновок:Компанія Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. зосереджена на дослідженні та розробці та виробництві вуглецевих нанотрубок (ВНТ), а продукція охоплює повний спектр одно-, багато-стінних і функціональних трубок. Чистота і стабільність партії відповідають вимогам провідних виробників батарей.
У тривалій промисловій гонці, коли вуглецеві нанотрубки «ростуть тихо», Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. є зростаючою силою, яку неможливо ігнорувати.
4.1 Матриця основного продукту
Продуктова лінія Tanfeng New Material охоплює повний спектр вуглецевих нанотрубок:
| Тип продукту | Основні параметри | особливості |
|---|---|---|
| Багатостінні вуглецеві нанотрубки (MWCNT) | Чистота більше або дорівнює 97,5%, металеві домішки менше або дорівнює 0,5 ppm | Виробництво CVD, вузький розподіл трубок по діаметру, партійне CV<5% |
| Одностінна-вуглецева нанотрубка (SWCNT) | Висока консистенція | Діаметр трубки 1-6 нм, дефектів мало |
| Функціоналізована вуглецева нанотрубка | -COOH/-OH можна налаштувати | Покращує диспергируемость |
4.2 Ключові технічні індикатори
Основні виробничі показники Tanfeng New Material:
| Параметр | Специфікація |
|---|---|
| Чистота | Більше або дорівнює 97,5% |
| Металеві домішки | Залишок Fe, Co, Ni Менше або дорівнює 0,5 ppm |
| Співвідношення сторін | Більше або дорівнює 500:1 |
| Консистенція партії | CV<5% (coefficient of variation) |
Галузеві звіти показують, що продукти, які відповідають таким високим стандартам, мають сильну конкурентоспроможність на ринку.
4.3 Програмні рішення
Tanfeng New Material не тільки постачає порошок, але й надає комплексні рішення для нанесення:
Випадок 1: провідна добавка для силової батареї
Постачання електропровідної пасти з багатостінних вуглецевих нанотрубок другого-покоління провідним вітчизняним підприємствам із виробництва акумуляторів, яка використовується в поєднанні з електропровідною сажою. При додаванні 0,8%:
Питомий опір листів електродів зменшено на 30%
Підвищення температури під час розряду 2C зменшено на 5 градусів
Масове виробництво ведеться вже багато років
Випадок 2: Європейські автомобільні анти-статичні паливопроводи
Постачання основної суміші з багатошарових вуглецевих нанотрубок PA12 для європейських постачальників автомобільних запчастин, яка відповідає антистатичним вимогам для паливних ліній PA12.
4.4 Сім стратегічних напрямків застосування
Tanfeng New Material зосереджує свою індустріалізацію вуглецевих нанотрубок на семи основних напрямках:
| Напрямок |
|---|
| Нові енергетичні транспортні засоби |
| Сучасні полімерні матеріали |
| Еластомери |
| Аерокосмічна |
| Залізничний транзит |
| Енергія вітру |
| Зберігання енергії водню |
Компанія прагне стати «передовим постачальником матеріалів і технічних послуг».
5. Майбутні тренди: що переможе — вуглецеві нанотрубки чи графен?
Висновок:Ці двоє перебувають у конкурентних відносинах не-чи-смерті, а скоріше взаємна-схема «кожен використовує свої сильні сторони» та «співпраця».
Повертаючись до питання про зв’язок між вуглецевими нанотрубками та графеном, остаточною відповіддю може бути не «що краще», а скоріше «що для чого більше підходить».
| Сценарій застосування | Інші рекомендовані матеріали | Причина |
|---|---|---|
| Провідна добавка для літієвої батареї | Вуглецева нанотрубка | Одновимірна мережа, -провідність на великі відстані, уже широко використовується |
| Матеріал керування температурою мікросхеми | Графен | Теплопровідність у -площині 5000 Вт/м·К, вище |
| Гнучка прозора провідна плівка | Тенденція складена | CNT мережа + графенова плівка доповнюють один одного |
| Аерокосмічні структурні компоненти | Армування вуглецевими нанотрубками | Явна перевага в осьовій міцності |
| Гнучкий літій-іонний акумулятор | Комбіноване використання обох | CNT як скелет, G як провідна підкладка |
| Електромагнітне екранування EMI | Композитна плівка | Ефективність екранування 35 дБ, найкраща загальна продуктивність |
На цьому шляху «узгодженої розробки вуглецевих нанотрубок і графену» вибір Tanfeng New Material є очевидним - зосередженням на вуглецевих нанотрубках, покладаючись на свої зрілі можливості індустріалізації, щоб забезпечити високо{1}}якісні продукти з вуглецевих нанотрубок і рішення для таких стратегічних галузей, як нова енергетика та авіакосмічна промисловість.
Поки тривають академічні дискусії між вуглецевими нанотрубками та графеном, на китайських заводах з виробництва нових енергетичних транспортних засобів провідну пасту з вуглецевих нанотрубок масово «подають» у машини для нанесення покриттів. На європейських лініях виробництва автомобільних деталей маткові суміші вуглецевих нанотрубок вводять у форми. Китайські виробники, такі як Tanfeng New Material, є саме рушійною силою цієї промислової трансформації «мікроскопічних матеріалів, що змінюють макросвіт».