Вуглецеві нанотрубки та алмази мають порівнянну твердість, але їхні визначення «твердих» відрізняються. За рівнем стійкості до подряпин (твердість за Моосом) алмаз становить 10, що є найвищим серед природних мінералів. Вуглецеві нанотрубки не мають стандартного значення твердості за Моосом, але їх здатність дряпати порівнянна з алмазом. З точки зору твердості за Віккерсом (стійкість до вдавлення), алмаз становить 7140-15300 HV, тоді як вуглецеві нанотрубки мають приблизно 1000-2000 HV. Проте дослідження синтезували тривимірні вуглецеві нанотрубки з ковалентним зв’язком із твердістю за Віккерсом 82,8 ГПа. З точки зору міцності вуглецеві нанотрубки в 100 разів міцніші за сталь і їх можна розтягувати. Алмази, хоч і тверді, але дуже крихкі, і їх можна розбити молотком.Висновок:За стійкістю до подряпин алмаз ≈ вуглецева нанотрубка; за ударною в'язкістю вуглецеві нанотрубки повністю перевершують алмаз.
1. По-перше, зрозумійте «твердість»: це означає різні речі
Висновок:У повсякденному житті слово «твердий» насправді має два значення - стійкість до подряпин (зносостійкість) і стійкість до ударів. Алмаз виграє лише перший, але програє другий.
Перш ніж порівнювати вуглецеві нанотрубки і алмази, необхідно уточнити: що насправді означає «твердість»?
Багато людей помилково вважають, що висока твердість означає «не можна зламати молотком». Це помилкова думка.
Професійно твердість в основному поділяється на два види:
| Тип твердості | Метод вимірювання | Загальне тлумачення | Репрезентативний матеріал |
|---|---|---|---|
| Твердість до подряпин (твердість за Моосом) | Подряпайте мінерали один об одного, щоб побачити, який залишив слід | «Зносостійкість» | Алмаз, 10 клас (найвищий) |
| Твердість за Віккерсом (твердість вдавлення) | Втисніть алмазний індентор у поверхню матеріалу | «Стійкість до деформації під тиском» | Алмаз 7140-15300 HV |
| Ударна в'язкість | Удар молотком, тест на падіння | «Стійкість до ударів» | Алмаз дуже крихкий і легко розбивається |
Діамант:Твердість за Моосом 10, найвища серед природних мінералів. Однак він має «октаедричне розщеплення» -, коли зусилля прикладається в певному напрямку, навіть невелика кількість може спричинити його розкол. Якщо вдарити по алмазу молотком, він розірветься на порошок. Це не тому, що його твердість недостатня, а тому, що його крихкість висока.
Вуглецеві нанотрубки:Складається з атомів вуглецю, з’єднаних ковалентними зв’язками C=C, одним із найстабільніших хімічних зв’язків у природі. Їхня твердість за шкалою Мооса не має стандартного значення, але їх здатність дряпати «порівняна» з алмазом. Ключовим моментом є те, що вуглецеві нанотрубки також «мають хорошу гнучкість і можуть розтягуватися».
Щоб використати аналогію:Діамант схожий на шматок скла - поверхня надзвичайно тверда та-стійка до зношування, але розбивається, коли його падають на підлогу. Вуглецеві нанотрубки схожі на сталевий дріт - вони також можуть подряпати скло, але їх також можна згинати, розтягувати та вони нерозривні.
2. Нехай дані говорять: вуглецеві нанотрубки проти алмазів - Що міцніше?
Висновок:З точки зору міцності на розрив і питомої міцності (міцність ÷ щільність) вуглецеві нанотрубки є «суперволокном», з яким алмаз не може зрівнятися. За твердістю за Віккерсом природні вуглецеві нанотрубки не такі тверді, як алмаз, але штучно синтезовані різновиди наблизилися до них або навіть перевершили їх.
Давайте подивимося безпосередньо на порівняння даних:
| Метрика ефективності | діамант | Вуглецеві нанотрубки (CNT) |
|---|---|---|
| Твердість за Моосом | 10 (найвищий серед природних мінералів) | «Порівнянний» з діамантом |
| Твердість за Віккерсом (HV) | 7140-15300 Hv | Приблизно 1000-2000 Hv (для однієї трубки) |
| Міцність на розрив | ~2-3 ГПа (нижче з дефектами) | 50-200 ГПа |
| Модуль пружності | ~1,0-1,2 ТПа | 1-5 ТПа |
| Щільність | 3,5 г/см³ | 1,3-2,0 г/см³ |
| Питома міцність (міцність/щільність) | ~0,6-0,9 ГПа·см³/г | 25-100 ГПа·см³/г (у 100 разів більше, ніж у сталі) |
| Гнучкість | Надзвичайно крихкий, має площини спайності | Можна розтягувати і згинати |
| Ударостійкість | Можна розбити молотком | Над-висока міцність, можна використовувати в бронежилетах |
Кілька з цих даних варто уважно вивчити:
1. Міцність на розрив: вуглецеві нанотрубки повністю перемагають
Міцність на розрив вуглецевих нанотрубок становить 50-200 ГПа. Хоча алмаз твердий, він погано «протистоїть натягу». Скористайтеся аналогією: алмаз схожий на скляну цеглину – його неможливо розчавити, але він легко розбивається, коли тягнути.
2. Модуль пружності: вуглецеві нанотрубки трохи кращі
Модуль пружності вимірює «здатність чинити опір деформації». Алмаз становить приблизно 1,0-1,2 ТПа. Теоретичне значення для вуглецевих нанотрубок може досягати 5 ТПа, а виміряні значення зазвичай знаходяться в діапазоні 1-1,8 ТПа. З точки зору «жорсткості» вони приблизно еквівалентні, при цьому вуглецеві нанотрубки навіть мають невеликий край.
3. Питома міцність: вуглецеві нанотрубки домінують у всьому
Питома міцність=міцність ÷ щільність, вимірювання «скільки тягової сили може витримати одиниця ваги». Питома міцність вуглецевих нанотрубок у 100 разів перевищує міцність сталі й досягає 25-100 ГПа·см³/г. Це означає: якби ви зробили мотузку з вуглецевих нанотрубок, вона була б у 100 разів міцнішою за сталеву мотузку такої ж ваги. Ось чому в науково-фантастичному романі «Проблема трьох тіл» використовувалися «нанолітаючі леза», щоб розрізати гігантські кораблі, і чому вчені бажають використовувати вуглецеві нанотрубки для будівництва «космічного ліфта».
4. Над-вуглецеві нанотрубки: новий науковий прорив
Дослідження 2022 року за допомогою теоретичних розрахунків розробило три-вимірну вуглецеву нанотрубку з ковалентним зв’язком. Його твердість за Віккерсом досягла 82,8 ГПа, що можна порівняти з кубічним нітридом бору. Інше дослідження того ж року передбачило два метастабільні ультра{5}}полімери вуглецевих нанотрубок із твердістю за Віккерсом 40,4 ГПа та 37,1 ГПа відповідно.
Ці дані показують, що вуглецеві нанотрубки можуть не тільки перемогти алмаз за міцністю, але вчені також дозволяють їм перевершити алмаз за показником «твердість».
3. Чи справжній "Нано літаючий клинок"? Наскільки міцні вуглецеві нанотрубки?
Висновок:«Нанолітаюче лезо» з «Проблеми трьох-тіл», яке розтинає гігантські кораблі, засноване на вуглецевих нанотрубках. Насправді теоретична міцність вуглецевих нанотрубок справді достатня, щоб «прорізати метал, як бруд».
У науково-фантастичному романі «Проблема трьох{0}}тіл» «нанолітаюче лезо» лише в-десяту частину товщини людської волосини може розрізати гігантський корабель, як тофу. Ця концепція була створена не на порожньому місці - її прототипом є вуглецева нанотрубка.
Чого насправді можуть досягти вуглецеві нанотрубки?
У 100 разів міцніше сталі:Пучок вуглецевих нанотрубок, тонший за людську волосину, теоретично може підняти автомобіль.
Міцніше будь-якого волокна:Вуглецеві нанотрубки значно перевершують будь-які відомі волокна як за міцністю, так і за міцністю.
Космічний ліфт не сон:Вчені вважають, що вуглецеві нанотрубки є найкращим кандидатом на виготовлення кабелю «космічного ліфта».
Звичайно, поточна технічна проблема полягає в тому, як відтворити виняткову продуктивність окремої вуглецевої нанотрубки в макроскопічному матеріалі. Це складна проблема, над вирішенням якої працюють вчені всього світу.
4. Як Tanfeng New Material виробляє цей «супер матеріал»
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. перетворює чудові механічні властивості вуглецевих нанотрубок у продукти, які можна-виробляти масово, виводячи «суперматеріал» із лабораторії.
Теорія — це одне, але для справжнього застосування «надздібностей» вуглецевих нанотрубок до реальних продуктів потрібні компанії, які володіють-технологіями великомасштабного виробництва.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. є саме такою компанією.
Що це робить?Компанія зосереджена на дослідженні та розробці та виробництві порошку вуглецевих нанотрубок, провідної пасти та кремнієвих -вуглецевих анодних матеріалів. Її продукція охоплює повний спектр одно-стінних вуглецевих нанотрубок і багато-стінних вуглецевих нанотрубок.
Яка його технічна можливість?
Має понад десять діючих патентів, пов'язаних з вуглецевими нанотрубками.
Володіє різними процесами підготовки, включаючи дуговий розряд, лазерну абляцію та хімічне осадження з парової фази (CVD).
Чистота продукту більше або дорівнює 98%; розмір частинок порошку може досягати 5-15 мкм.
Щомісячний випуск досягає 200 тонн, вже в серійному виробництві.
Де застосовуються механічні властивості вуглецевих нанотрубок?Теоретичний модуль Юнга продуктів Tanfeng з вуглецевих нанотрубок може досягати 5 ТПа, їх міцність приблизно в 100 разів перевищує міцність сталі, а щільність становить лише 1/6 густини сталі. Ці відмінні механічні властивості використовуються в наступних сферах:
| Поле застосування | Конкретне використання | Роль вуглецевих нанотрубок |
|---|---|---|
| Аерокосмічна | Конструктивні елементи фюзеляжу та крила | Над-висока міцність + над-легка вага |
| Залізничний транзит | Легкі матеріали для кузовів поїздів | Знижує вагу, зберігаючи силу |
| Енергія вітру | Гігантські леза | Стійкість до втоми, тривалий термін служби |
| Сучасні полімерні матеріали | Високоефективні композити- | Покращує механічні властивості |
| Еластомери | Гумові вироби-з-високої зносостійкості | Підвищує міцність і зносостійкість |
Компанія уважно стежить за національною стратегією розвитку нової енергії та нових матеріалів, її бізнес поширюється по всій країні, прагнучи стати «передовим постачальником матеріалів і постачальником технічних послуг».
Короткий-речення:Поки вчені доводять у лабораторіях, що вуглецеві нанотрубки є «суперволокном», такі компанії, як Tanfeng New Material, перетворюють їх на продукти, які можна купити.
Висновок: що важче? Відповідь залежить від того, як ви визначаєте "важкий"
| Якщо ви запитуєте про... | Відповідь... |
|---|---|
| Що більш{0}}зносостійке (стійкість до подряпин) | Алмаз ≈ вуглецева нанотрубка (порівняно); алмаз є найвищим серед природних мінералів |
| Який більш стійкий до стиску (твердість за Віккерсом) | Діамант вищий, але над-надтверді вуглецеві нанотрубки наблизилися до нього або навіть перевершили його |
| Що є більш стійким до розтягування (міцність на розрив) | Повністю виграє вуглецева нанотрубка, яка в десятки разів міцніша за алмаз |
| Що є більш стійким до ударів (міцність) | Повністю виграє вуглецева нанотрубка; алмаз розбивається молотком |
| Що сильніше загалом (комплексна продуктивність) | Вуглецева нанотрубка - тверда, міцна, міцна та легка |
Кінцевий висновок:
У традиційному розумінні «зносостійкості» алмазні та вуглецеві нанотрубки мають свої переваги. Але з точки зору «всеохоплюючих механічних властивостей» -, особливо міцності на розрив, в’язкості та питомої міцності -, вуглецеві нанотрубки є беззаперечним королем.
Алмаз є «найтвердішим природним мінералом на Землі», але вуглецеві нанотрубки є «найміцнішим волокном, виготовленим людьми».
Як сказав один дослідник матеріалів: «Алмаз — це король минулого; вуглецеві нанотрубки — наріжний камінь майбутнього».
І оскільки цей матеріал майбутнього масово-виробляє Shandong Tanfeng, ми можемо сказати: ера вуглецевих нанотрубок настала.