Вуглецеві нанотрубки є одними з найлегших відомих матеріалів із густиною лише 1,3-2,1 г/см³, що набагато менше, ніж у сталі (7,9 г/см³) та алюмінію (2,7 г/см³). Це означає, що для того самого об’єму вага вуглецевих нанотрубок становить лише 1/6 ваги сталі та 1/2 ваги алюмінію. Ще дивовижніше те, що, хоча вуглецеві нанотрубки легші за алюміній, їхня міцність на розрив у 100 разів перевищує міцність сталі - комбінація «легких, але міцних», яка надзвичайно рідкісна в природі. Композитні матеріали з вуглецевих нанотрубок вже досягли зменшення ваги на 40% і підвищення ефективності використання палива на 20-25% в авіаційній та автомобільній промисловості. Shandong Tanfeng New Material сприяє індустріалізації цього «легкого, як пір’їнка, міцного, як сталь» суперматеріалу.
1. Наскільки легкі вуглецеві нанотрубки? Набір чисел говорить вам
висновок:Щільність вуглецевих нанотрубок становить приблизно 1,3-2,1 г/см³, що легше за алюміній і лише на 1/6 сталі.
По-перше, давайте подивимося на точні дані. Згідно з науковою літературою лабораторії Міністерства енергетики США, типова щільність композитів з вуглецевих нанотрубок (CNT) становить 1,3 г/см³. Дані про вітчизняну продукцію також підтверджують цей порядок величини - справжня щільність деяких комерційних продуктів становить приблизно 2 г/см³, а щільність при натисканні становить лише 0,18 г/см³. Підводячи підсумок, видима щільність порошку вуглецевих нанотрубок коливається приблизно в діапазоні 1,3-2,1 г/см³.
Що означає ця «легкість»? Давайте порівняємо його з-високоефективними металами, з якими ми знайомі в повсякденному житті:
| матеріал | Щільність (г/см³) | Вуглецеві нанотрубки проти цього матеріалу |
|---|---|---|
| Матеріал вуглецевих нанотрубок | 1.3-2.1 | --Базова лінія-- |
| Алюміній (алюмінієвий сплав) | 2.7 | ВНТ приблизно на 30-50% легші |
| Титан (титановий сплав) | 4.5 | УНТ приблизно на 56%-71% легші |
| сталь | 7.9 | ВНТ приблизно на 70-80% легші, тобто при тому самому об’ємі вага ВНТ становить лише 1/6–1/4 ваги сталі. |
Наведу інтуїтивно зрозумілий приклад: вага звичайної маточини колеса автомобіля, виготовленої з композитного матеріалу з вуглецевих нанотрубок, може знизитися з понад 20 цзінь (приблизно 10 кг) до 5-6 цзінь (приблизно 2,5-3 кг). Ви можете легко підняти його однією рукою.
2. Чому вуглецеві нанотрубки такі легкі? Секрет криється в їхній «нанорозмірній фігурі»
висновок:Ультра{0}}характеристика вуглецевих нанотрубок походить від їх унікальної мікроструктури - атоми вуглецю розташовані у вигляді шестикутної соти, утворюючи коло, утворюючи порожнисту «нанорозмірну трубку», внутрішня частина якої майже повністю порожня.
Вуглецева нанотрубка — це, по суті, «трубка», причому трубка на нанорозмірі.
Його мікроструктура така: атоми вуглецю з’єднані один з одним ковалентними зв’язками, утворюючи стабільний шести-членний кільцевий графеновий лист, а потім цей графеновий лист «скручується» в циліндр. Цей циліндр порожнистий - всередині немає атомів, лише повітря або вакуум. Згортання одного шару створює одностінну-вуглецеву нанотрубку (SWCNT); згортання кількох шарів створює багато{5}}стінну вуглецеву нанотрубку (MWCNT) із відстанню між шарами приблизно 0,34 нм.
Ключ до вимірювання ваги матеріалу: густина=маса/об’єм
Метали наповнені атомами, щільно упакованими, тому вони важкі. Оболонка вуглецевої нанотрубки складається з атомів вуглецю (атоми вуглецю набагато легші за атоми заліза чи алюмінію), внутрішня частина порожня, а оболонка надзвичайно тонка -, тому в одиниці об’єму міститься дуже мало матеріалу, тому вона від природи легка.
Використовуючи аналогію з кухнею:Металевий шпатель міцний і важкий; порожниста соломинка легка, тому що має лише тонку стінку на поверхні. Вуглецева нанотрубка є молекулярною версією «порожнистої соломинки для пиття».
3. По-справжньому дивовижною є не «легкість», а «легка, але сильна» комбінація
висновок:Питома міцність вуглецевих нанотрубок досягає 500 МПа·см³/г, що значно перевищує міцність традиційних металів, таких як сталь, алюміній і титан, що робить їх одними з найвищих серед відомих інженерних матеріалів.
Якби він був лише «легким», це не було б особливим - пінопласт теж дуже легкий, але легко ламається. Що дійсно робить вуглецеві нанотрубки вражаючими, так це те, що, будучи легкими, як повітря, вони також неймовірно міцні.
Як ми детально проаналізували в попередній статті: міцність на розрив вуглецевих нанотрубок може досягати 50-200 ГПа, що в 100 разів перевищує міцність сталі. Коли ці дані помножити на параметр «легкість», ми отримаємо показник, який зводить інженерів з розуму — питому міцність (міцність ÷ щільність).
Подивіться на цей набір порівняльних даних:
| матеріал | Щільність (г/см³) | Міцність на розрив (МПа) | Питома міцність (МПа·см³/г) |
|---|---|---|---|
| Композит з вуглецевих нанотрубок | 1.3 | ~650 | 500 |
| Алюміній (7075-T6) | 2.7 | 572 | 212 |
| Титан (Ti-6Al-4V) | 4.5 | 950 | 211 |
| Сталь (A36) | 7.9 | 400 | 51 |
Що вища питома міцність, то більша-несуча здатність для даної ваги. Питома міцність вуглецевих нанотрубок (500) майже в 10 разів перевищує міцність сталі (51) - трос, виготовлений з вуглецевих нанотрубок такої ж ваги, може витримати майже в 10 разів більше навантаження, ніж сталевий трос.
Ось чому вчені планують використовувати вуглецеві нанотрубки для створення космічного ліфта -, тому що лише матеріал, який є «легким, як пір’їнка, міцним, як сталь», може створити кабель, що тягнеться від Землі до космосу.
4. Промислова революція, викликана «легкістю»: 40% зменшення ваги, 25% економія палива
висновок:Композитні матеріали з вуглецевих нанотрубок вже досягли ефекту зменшення ваги до 40% в аерокосмічній та автомобільній промисловості, що безпосередньо означає підвищення ефективності палива на 20-25%.
«Легкість» — це не просто гра в цифри; це відчутно змінює індустріальний ландшафт.
Відповідно до оглядової статті в міжнародному науковому журналіМатеріалознавство та інженерія: РКомпозитні матеріали з вуглецевих нанотрубок продемонстрували великий потенціал в авіаційній та автомобільній промисловості: вагу структурних компонентів можна зменшити до 40%, зберігаючи або навіть покращуючи механічні властивості.
Давайте розглянемо реальні-приклади застосування:
| Випадок застосування | Роль композиту з вуглецевих нанотрубок | Фактичний ефект |
|---|---|---|
| Boeing 787 Dreamliner | Компоненти конструкції фюзеляжу | Покращення паливної ефективності на 20-25%. |
| Електромобіль BMW i3 | Кузовні панелі | 30% зниження ваги |
| Двигун KIST Carbon Nanotube (Корея) | Котушки обмотки двигуна | Зменшення ваги двигуна приблизно на 25%. |
Особливо варто згадати випадок з Boeing 787. Цей «Dreamliner» широко використовує передові композитні матеріали (включно з матеріалами, зміцненими-вуглецевими нанотрубками), не лише досягаючи значного зменшення ваги, але й дозволяючи цьому великому авіалайнеру економити понад 20% палива порівняно з аналогічними моделями. Корейський науково-технічний інститут (KIST) навіть пішов далі й безпосередньо створив двигун без будь-яких металевих котушок -, замінивши мідний дріт дротом із вуглецевих нанотрубок, у результаті чого вага двигуна становить лише одну-п’яту вагу мідного двигуна.
Для літака:Економія палива=летить далі + нижчі ціни на квитки + зменшення викидів вуглецю.
Для електромобіля:Зменшення ваги=більший діапазон + швидше прискорення + менший акумулятор.
Легкість золото; легкість — конкурентоспроможність.
5. Новий матеріал Shandong Tanfeng: перетворення «легкості» на продукцію, яку можна придбати
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. масово-виробляє та випускає «над-легкі» вуглецеві нанотрубки, обслуговуючи-високі виробничі галузі, такі як аерокосмічна промисловість і транспортні засоби нової енергії.
Щоб перетворити вуглецеві нанотрубки з «чудо-матеріалу» в лабораторії на промислову сировину, яку інженери можуть замовляти, потрібні компанії, які справді володіють технологією велико{0}}виробництва.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. є саме такою компанією.
Що це робить?
Компанія зосереджена на дослідженні та розробці та виробництві багато-стінних вуглецевих нанотрубок (MWCNT), одно-вуглецевих нанотрубок (SWCNT), функціональних вуглецевих нанотрубок, провідних паст і попередньо-дисперсних продуктів. Чистота продукту більше або дорівнює 97,5%, залишкові домішки Fe, Co та Ni каталізаторів менше або дорівнюють 0,5 ppm, розподіл трубок по діаметру вузький, а консистенція від-до-партії CV становить<5%.
Його основні компетенції:
| Вимір переваги | Конкретний вміст |
|---|---|
| Основний процес | Виробництво газової{0}}фази (CVD); діаметр труби можна контролювати, партії стабільні |
| Матриця продукту | Повне покриття одностінних/багатостінних-стінних; настроювана функціональність (-COOH, -OH тощо) |
| Інструкції щодо застосування | Сім основних галузей, включаючи транспортні засоби нових джерел енергії, аерокосмічну сферу, залізничний транспорт, енергію вітру, зберігання водневої енергії |
| Унікальна можливість | Весь ланцюг незалежно контролюється від каталізатора до кінцевого продукту |
| Перевірені результати | Забезпечує електропровідну пасту для провідних вітчизняних підприємств з виробництва акумуляторних батарей, завдяки чому питомий опір листів електродів уже зменшився на 30%. |
Tanfeng New Material також постачає європейським постачальникам автомобільних запчастин маткові суміші з багатостінними вуглецевими нанотрубками PA12, що відповідають суворим анти{2}}статичним вимогам до паливопроводів. Коли такі компанії, як BMW і Boeing, потребують високо-ефективних легких матеріалів, вуглецеві нанотрубки перетворюються з концепції віддаленої лабораторії на матеріальні продукти на полицях китайських компаній, таких як Tanfeng.
Резюме: Що означає «легкість» вуглецевих нанотрубок?
| Перспектива | Основний висновок |
|---|---|
| дані | Щільність 1,3-2,1 г/см³, лише 1/6 густини сталі, легша за алюміній |
| Принцип | Структура «порожниста нанорозмірна трубка», тонкі-стінні та порожниста внутрішня частина, природна легкість |
| Продуктивність | Питома міцність 500 МПа·см³/г, що майже в 10 разів перевищує міцність сталі, легка, але міцна |
| Промисловість | Зниження ваги на 40% і економія палива на 25%; вже перевірено на Boeing 787 і BMW i3 |
| Реальність | Такі компанії, як Shandong Tanfeng New Material, масово-виробляють його для промислового використання |
«Легкість» вуглецевих нанотрубок ніколи не була лише показником низької-щільності. Йдеться про перенесення найбільшого навантаження з найменшою масою, досягнення найпотужніших характеристик з найменшою кількістю матеріалу та створення найвищої ефективності з найлегшими компонентами.
Коли Shandong Tanfeng New Material постійно «видуває» цей чорний порох зі свого заводу - порошок, який легший за повітря (у стані натискання), але міцніший за сталь -, це означає, що «ера легких матеріалів» справді настала.