Jak lekkie są nanorurki węglowe?

Nanorurki węglowe należą do najlżejszych znanych materiałów, a ich gęstość wynosi zaledwie 1,3-2,1 g/cm3, znacznie mniej niż gęstość stali (7,9 g/cm3) i aluminium (2,7 g/cm3). Oznacza to, że przy tej samej objętości nanorurki węglowe ważą tylko 1/6 masy stali i 1/2 masy aluminium. Co jeszcze bardziej zdumiewające, chociaż nanorurki węglowe są lżejsze od aluminium, ich wytrzymałość na rozciąganie jest 100 razy większa niż w przypadku stali -, co stanowi niezwykle rzadkie w przyrodzie połączenie „lekkiego, ale mocnego”. Kompozyty z nanorurek węglowych osiągnęły już redukcję masy o 40% i poprawę efektywności paliwowej o 20–25% w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym. Shandong Tanfeng New Material promuje industrializację tego supermateriału „lekkiego jak piórko i mocnego jak stal”.

1. Jak lekkie są nanorurki węglowe? Zestaw liczb ci powie

Wniosek:Gęstość nanorurek węglowych wynosi około 1,3-2,1 g/cm3, czyli jest lżejsza od aluminium i tylko 1/6 stali.

Najpierw spójrzmy na twarde dane. Według literatury akademickiej laboratorium Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych typowa gęstość kompozytów nanorurek węglowych (CNT) wynosi 1,3 g/cm3. Dane dotyczące produktów krajowych również potwierdzają ten rząd wielkości - rzeczywista gęstość niektórych produktów komercyjnych wynosi około 2 g/cm3, przy gęstości nasypowej wynoszącej zaledwie 0,18 g/cm3. Podsumowując, gęstość pozorna proszku nanorurek węglowych mieści się w przybliżeniu w zakresie 1,3-2,1 g/cm3.

Co oznacza ta „lekkość”? Porównajmy to z-metalami o wysokiej wydajności, które znamy na co dzień:

Oto intuicyjny przykład: zwykła piasta koła samochodowego, wykonana z materiału kompozytowego nanorurek węglowych, może spaść z ponad 20 jin (około 10 kg) do 5-6 jin (około 2,5-3 kg). Można go było łatwo podnieść jedną ręką.

2. Dlaczego nanorurki węglowe są tak lekkie? Sekret tkwi w ich „figurze w nanoskali”

Wniosek:Ultra-charakterystyka ultralekkich nanorurek węglowych wynika z ich unikalnej mikrostruktury. - atomy węgla są ułożone w sześciokątny wzór plastra miodu, tworząc okrąg, tworząc pustą w środku „rurę w skali nano”, której wnętrze jest prawie całkowicie puste.

Nanorurka węglowa jest zasadniczo „rurką” i to rurką w nanoskali.

Jego mikrostruktura jest następująca: atomy węgla są połączone ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi, tworząc stabilny sześcio-członowy arkusz grafenu z pierścieniem, który następnie jest „zwijany” w cylinder. Ten cylinder jest pusty w środku, - nie ma w nim atomów, jest tylko powietrze lub próżnia. Zwinięcie jednej warstwy powoduje utworzenie-nanorurki węglowej o pojedynczych ściankach (SWCNT); walcowanie wielu warstw tworzy-wielościenną nanorurkę węglową (MWCNT) o odstępie międzywarstwowym wynoszącym około 0,34 nm.

Klucz do pomiaru ciężaru materiału: Gęstość=Masa / Objętość

Metale są pełne atomów, gęsto upakowane, dlatego są ciężkie. Otoczka nanorurki węglowej składa się z atomów węgla (atomy węgla są znacznie lżejsze od atomów żelaza czy aluminium), wnętrze jest puste, a powłoka jest wyjątkowo cienka - dlatego na jednostkę objętości przypada bardzo mało materiału, więc jest ona naturalnie lekka.

Używając analogii do kuchni:Metalowa szpatułka jest solidna i ciężka; wydrążona słomka do picia jest lekka, ponieważ ma tylko cienką ściankę na powierzchni. Nanorurka węglowa to molekularna wersja „wydrążonej słomki do picia”.

3. Naprawdę niesamowitą rzeczą nie jest „lekkość”, ale połączenie „lekkiego, a jednocześnie mocnego”

Wniosek:Wytrzymałość właściwa nanorurek węglowych sięga aż 500 MPa·cm3/g, znacznie przekraczając wytrzymałość tradycyjnych metali, takich jak stal, aluminium i tytan, co czyni ją jedną z najwyższych wśród znanych materiałów konstrukcyjnych.

Gdyby był tylko „lekki”, nie byłoby to niczym specjalnym. - Tworzywo piankowe jest również bardzo lekkie, ale łatwo się kruszy. To, co naprawdę sprawia, że ​​nanorurki węglowe są zdumiewające, to fakt, że choć są lekkie jak powietrze, są jednocześnie niezwykle wytrzymałe.

Jak szczegółowo przeanalizowaliśmy w poprzednim artykule: wytrzymałość na rozciąganie nanorurek węglowych może osiągnąć 50-200 GPa, czyli 100 razy więcej niż w przypadku stali. Gdy dane te pomnożymy przez wymiar „lekkości”, otrzymamy metrykę, która doprowadza inżynierów do szaleństwa – wytrzymałość właściwą (siła ÷ gęstość).

Spójrz na ten zestaw danych porównawczych:

Im wyższa wytrzymałość właściwa, tym większa nośność-przy danym ciężarze. Wytrzymałość właściwa nanorurek węglowych (500) jest prawie 10 razy większa od wytrzymałości stali (51) - lina wykonana z nanorurek węglowych o tej samej masie może wytrzymać prawie 10 razy większe obciążenie niż lina stalowa.

Właśnie dlatego naukowcy przewidują wykorzystanie nanorurek węglowych do budowy windy kosmicznej -, ponieważ jedynie materiał „lekki jak piórko i mocny jak stal” mógłby stworzyć kabel rozciągający się z Ziemi w przestrzeń kosmiczną.

4. Rewolucja przemysłowa spowodowana „lekkością”: redukcja masy o 40%, oszczędność paliwa o 25%

Wniosek:Kompozyty z nanorurek węglowych osiągnęły już efekty redukcji masy aż do 40% w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym, co bezpośrednio przekłada się na poprawę efektywności paliwowej o 20-25%.

„Lekkość” to nie tylko gra liczbowa; w wymierny sposób zmienia krajobraz przemysłowy.

Według artykułu przeglądowego opublikowanego w międzynarodowym czasopiśmie akademickimNauka i Inżynieria Materiałowa: RKompozyty nanorurek węglowych wykazały ogromny potencjał w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym: masę elementów konstrukcyjnych można zmniejszyć nawet o 40%, zachowując lub nawet poprawiając właściwości mechaniczne.

Przyjrzyjmy się przykładom-rzeczywistych zastosowań:

Na szczególną uwagę zasługuje przypadek Boeinga 787. W tym „Dreamlinerze” w szerokim zakresie zastosowano zaawansowane materiały kompozytowe (w tym materiały wzmocnione-nanorurkami węglowymi), nie tylko osiągając znaczną redukcję masy, ale także umożliwiając temu dużemu samolotowi zaoszczędzenie ponad 20% paliwa w porównaniu z podobnymi modelami. Koreański Instytut Nauki i Technologii (KIST) poszedł nawet o krok dalej i bezpośrednio zbudował silnik bez cewek metalowych, - zastępując drut miedziany drutem z nanorurek węglowych, dzięki czemu silnik waży zaledwie jedną-masę zaledwie jednej piątej silnika miedzianego.

Dla samolotu:Oszczędność paliwa=leci dalej + niższe ceny biletów + zmniejszona emisja dwutlenku węgla.

W przypadku pojazdu elektrycznego:Redukcja masy=większy zasięg + większe przyspieszenie + mniejsza bateria.

Lekkość jest złotem; lekkość to konkurencyjność.

5. Nowy materiał Shandong Tanfeng: przekształcanie „lekkości” w produkty, które można kupić

Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. zajmuje się masową-produkcją i wytwarzaniem „ultra-lekkich” nanorurek węglowych, obsługując-najwyższe standardy w branżach produkcyjnych, takich jak przemysł lotniczy i pojazdy wykorzystujące nowe źródła energii.

Przekształcenie nanorurek węglowych z „cudownego materiału” w laboratorium w surowiec przemysłowy, który inżynierowie mogą zamówić, wymaga od firm naprawdę opanowanych-technologii produkcji na dużą skalę.

Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. jest właśnie taką firmą.

Co to robi?

Firma koncentruje się na badaniach i rozwoju oraz produkcji wielo-ściennych nanorurek węglowych (MWCNT), jedno-jednościennych nanorurek węglowych (SWCNT), funkcjonalizowanych nanorurek węglowych, past przewodzących i-produktów wstępnie zdyspergowanych. Czystość produktu jest większa lub równa 97,5%, resztkowe zanieczyszczenia katalizatorami Fe, Co i Ni są mniejsze lub równe 0,5 ppm, rozkład średnic rur jest wąski, a współczynnik CV konsystencji-do-partii wynosi<5%.

Jego podstawowe kompetencje:

Firma Tanfeng New Material dostarcza również przedmieszki z wielo-ściennych nanorurek węglowych z nośnikiem PA12 europejskim dostawcom części samochodowych, spełniające rygorystyczne-wymagania antystatyczne dla przewodów paliwowych. Kiedy firmy takie jak BMW i Boeing potrzebują-wydajnych, lekkich materiałów, nanorurki węglowe przekształcają się z koncepcji odległego laboratorium w namacalne produkty na półkach chińskich firm, takich jak Tanfeng.

Podsumowanie: Co oznacza „lekkość” nanorurek węglowych?

„Lekkość” nanorurek węglowych nigdy nie była po prostu prostą wartością-gęstości. Chodzi o przenoszenie największego obciążenia przy najmniejszej masie, osiągnięcie najwyższej wydajności przy użyciu najmniejszej ilości materiału i stworzenie najwyższej wydajności przy użyciu najlżejszych komponentów.

Kiedy firma Shandong Tanfeng New Material w sposób ciągły „wydmuchuje” ten czarny proszek z fabryki - proszek, który jest lżejszy od powietrza (w stanie spuszczonym), a jednocześnie mocniejszy od stali -, sygnalizuje to, że „era lekkości” w świecie materiałów naprawdę nadeszła.