Co jest twardsze, nanorurki węglowe czy diament?

Co jest „twardsze” – nanorurki węglowe (CNT) czy diament? Odpowiedź zależy od tego, czy zastosujesz na to presję. Pod względem twardości w skali Mohsa są one porównywalne - twardość nanorurek węglowych jest porównywalna z twardością diamentu. Pod względem twardości Vickersa nanorurki węglowe w stanie naturalnym (185,1 HV) są znacznie niższe niż diament (rzędu 10 000 HV). Ale po sprasowaniu na zimno nanorurek węglowych następuje cud: mogą utworzyć ultratwardą fazę o module objętościowym 447 GPa, a wartość twardości gwałtownie wzrasta z pierwotnych 185,1 HV do 241 GPa (24 100 HV), czyli 4 razy więcej niż w przypadku surowego diamentu (około 60 GPa). Oznacza to: w normalnych warunkach diament jest twardszy; po obróbce-wysokociśnieniowej nanorurki węglowe mogą przewyższyć diament i stać się „królem ultratwardych materiałów”. Nowy materiał Shandong Tanfeng New Material zapewnia-wiel-jednościenne/pojedyncze{19}}nanorurki węglowe o wysokiej czystości, które służą jako idealny surowiec do tak-wydajnych badań.

1. Najpierw zdefiniuj standard: dwa rodzaje „twardości”, dwie odpowiedzi

Wniosek:Co jest „twardsze” – nanorurki węglowe czy diament? Zależy to od rodzaju twardości, którą mierzysz. - Twardość w skali Mohsa, twardość Vickersa i moduł objętościowy po transformacji fazowej pod ultra-wysokim ciśnieniem dają zupełnie inne odpowiedzi.

Termin „twardość” w materiałoznawstwie ma co najmniej trzy znaczenia. Różne metody pomiaru i różne warunki dają zupełnie inne wnioski:

Kluczowa różnica polega na tym, że:Zmierzona wartość twardości nanorurek węglowych w stanie naturalnym jest stosunkowo niska (szczególnie w kompozytach), jednak po poddaniu ich ekstremalnemu ściskaniu przekształcają się w ultratwardą fazę, twardszą od diamentu.

Uwaga: Twardość Vickersa materiału kompozytowego z nanorurek węglowych (takiego jak stop aluminium CNT/2024) wynosi około 185 HV. Wartość ta odzwierciedla ogólną twardość kompozytu, a nie twardość samych nanorurek węglowych. Badania twardości poszczególnych nanorurek węglowych prowadzone są głównie w zakresie ultra-przemiany fazowej pod wysokim ciśnieniem.

2. Pojedynek w stanie normalnym: krawat o twardości Mohsa, wygrywa diament o twardości Vickersa

Wniosek:W „normalnych” warunkach (normalne ciśnienie, temperatura pokojowa), z którymi spotykamy się na co dzień, diament jest absolutnym królem twardości. Twardość nanorurek węglowych zależy głównie od matrycy kompozytowej.

2,1 Twardość Mohsa: szyja i szyja

Z punktu widzenia „wzajemnego zarysowania” twardość nanorurek węglowych jest „porównywalna” z diamentem.

Nanorurki węglowe składają się z atomów węgla połączonych wiązaniami kowalencyjnymi sp², tworząc sześcio-członową strukturę pierścieniową, podczas gdy diament składa się z trójwymiarowego-wymiarowego szkieletu wiązań kowalencyjnych sp³. Obydwa są wiązaniami węgiel-węgiel -, jednym z najbardziej stabilnych wiązań chemicznych w przyrodzie. Dlatego też, drapiąc się nawzajem, żaden z nich nie ma wyraźnej przewagi nad drugim.

W języku laickim:Diament może zarysować szkło, a nanorurki węglowe mogą również zarysować szkło - w tym wymiarze, dwóch wiązań.

2.2 Twardość Vickersa: Dominuje diament

Twardość Vickersa mierzy się poprzez wciśnięcie wgłębnika diamentowego w powierzchnię materiału i zmierzenie głębokości wcięcia. W tym teście konwencjonalne nanorurki węglowe są znacznie gorsze od diamentu:

Różnica jest około 50-krotna.

Ale oto kluczowa kwestia: 185 HV mierzy „nanorurkę węglową + stop aluminium”. Całe - badania, które naprawdę odzwierciedlają twardość samych nanorurek węglowych, są przeprowadzane przy użyciu innego systemu „ultra-wysokiego ciśnienia” w laboratorium.

3. Moment „transformacji”: wywieraj nacisk na nanorurki węglowe, stają się one twardsze niż diament

Wniosek:Kiedy nanorurki węglowe są sprężane na zimno do ciśnienia powyżej około 75 GPa (750 000 atmosfer), przekształcają się w nową ultratwardą fazę węglową o module objętościowym przekraczającym moduł diamentu.

To jest prawdziwy „atut” nanorurek węglowych.

3.1 Eksperyment z kompresją na zimno: 75 GPa wyzwala przejście fazowe

W 2004 roku zespół kierowany przez Zhongwu Wanga z Uniwersytetu w Arizonie opublikował przełomowe badanie pt.PNAS. Umieścili wielo-ścienne nanorurki węglowe w diamentowym ogniwie kowadełkowym i poddali je ciśnieniu do około 100 GPa (około 1 miliona atmosfer). Odkryli, że przy około 75 GPa nanorurki węglowe przekształciły się w zupełnie nową heksagonalną fazę węglową.

Kluczowe dane:

Moduł objętościowy jest wskaźnikiem „odporności materiału na ściskanie” - im wyższy moduł objętościowy, tym trudniej jest ściskać materiał pod ciśnieniem. Faza wysokiego-ciśnienia nanorurek węglowych przewyższa pod tym względem diament.

3.2 Pakiety nanotwinionych diamentów: rekord-pobicie 241 GPa

W 2021 r. zespół kierowany przez profesora Zhao Zhishenga i profesora Xu Bo z Uniwersytetu Yanshan opublikował badania wPNAS. Wykorzystując wysoce zorientowane wielo-ścienne warstwy nanorurek węglowych jako prekursory, zsyntetyzowali diament z preferencyjnie zorientowanymi wiązkami nanotwinionych w drodze obróbki pod wysokim-ciśnieniem i-temperaturą (HPHT).

Najbardziej zdumiewające wyniki:

Co oznacza 241 GPa? Twardość surowca diamentowego (diamentu naturalnego) w skali Knoopa wynosi zazwyczaj 60–100 GPa. Oznacza to, że „nanotwiniony diament z wiązki” przetworzony z nanorurek węglowych jest 2-4 razy twardszy niż zwykły diament.

Eksperyment wykazał również, że materiał ten wykazuje znaczną anizotropię mechaniczną: twardość zmienia się w zależności od orientacji wiązek nanotwinionych, przy czym najwyższą twardość osiąga się, gdy wgłębnik jest prostopadły do ​​wiązek bliźniaczych.

4. „Pułap teoretyczny”:-trójwymiarowe kowalencyjne nanorurki węglowe

Wniosek:Obliczenia teoretyczne przewidują, że twardość Vickersa niektórych-wymiarowych kowalencyjnych polimerów nanorurek węglowych może osiągnąć ponad 40 GPa, mieszcząc się pomiędzy sześciennym azotkiem boru a diamentem.

Oprócz syntezy eksperymentalnej naukowcy wykorzystali obliczenia-z pierwszych zasad do przewidzenia ultratwardych polimerów nanorurek węglowych, które nie zostały jeszcze zsyntetyzowane.

These structures can be considered as three-dimensional covalent crosslinked networks of carbon nanotubes with different chiralities. Their Vickers hardness has already entered the "ultrahard material" range (>40 GPa jest powszechnie uważane za próg dla materiałów ultratwardych).

Chociaż na razie są one na etapie teoretycznym, przewidywania te sugerują, że potencjał przekształcania nanorurek węglowych w trójwymiarowe-ultratwarde struktury znacznie przekracza obecny stan wiedzy.

5. Jeden stół do zrozumienia: który jest „trudniejszy”?

Ostateczna odpowiedź:

W normalnych warunkach:Diament jest „twardszy”. W normalnych testach twardość diamentu w skali Vickersa znacznie przewyższa twardość materiałów kompozytowych z nanorurek węglowych.

Pod presją:Nanorurki węglowe są „twardsze”. Kiedy nanorurki węglowe są ściskane powyżej 75 GPa, przekształcają się w ultratwardy materiał, który jest twardszy od diamentu -, czy to pod względem modułu objętościowego (447 vs 440 GPa), czy twardości Vickersa (241 vs ~100 GPa), wszechstronnie przewyższają diament.

Nanorurki węglowe są jak „bóg wojny” w świecie materiałów -, w normalnych warunkach wydają się zwyczajne, ale gdy otworzy się ich „trzecie oko” (przyłożone zostanie ekstremalne ciśnienie), ich twardość natychmiast przewyższa diament i staje się „Królem Ultratwardych Materiałów”.

6. Nowy materiał Shandong Tanfeng: „Baza surowcowa” przemysłu nanorurek węglowych

Firma Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. zapewnia wysoką-czystość (większą lub równą 98%) wielo-jednościennych-proszków nanorurek węglowych, służąc jako idealny surowiec do-najnowocześniejszych badań, takich jak przejścia fazowe pod wysokim-ciśnieniem.

Niezależnie od tego, czy są to rekordowe badania-Uniwersytetu Yanshan dotyczące ciśnienia 241 GPa, czy badania przejścia fazowego przy zimnej kompresji na poziomie 75 GPa, przeprowadzone na Uniwersytecie w Arizonie, punktem wyjścia w obu przypadkach są wysokiej-jakości surowce nanorurek węglowych.

Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. jest właśnie „źródłem mocy” na tej ścieżce od „surowca do ultratwardego”.

Zespołowi z Uniwersytetu Yanshan udało się zsyntetyzować-najgorszy materiał na świecie o „twardości Knoopa wynoszącej 241 GPa” w oparciu o-wysokiej jakości prekursory nanorurek węglowych. Dzięki 20-letniemu doświadczeniu branży w zakresie materiałów węglowych firma Tanfeng New Material zapewnia stabilną i niezawodną gwarancję surowców dla tak-najnowocześniejszych badań.

Wniosek: co jest trudniejsze? Odpowiedz - Diament w normalnych warunkach, nanorurki węglowe pod ciśnieniem

Debata na temat twardości nanorurek węglowych i diamentu ostatecznie daje odpowiedź, która jest funkcją - funkcją „ciśnienia”. Zastosuj wystarczający nacisk na nanorurki węglowe, a przewyższą one diament i staną się „królem ultratwardych materiałów”.

Na tym właśnie polega największy urok nanorurek węglowych: mogą być wystarczająco miękkie, aby zwinąć się w nanodruty i wystarczająco twarde, aby przewyższyć diament. Od rekordu 241 GPa Uniwersytetu Yanshan po stabilną produkcję nanorurek węglowych Tanfeng New Material o czystości co najmniej 98%, ta „debata na temat twardości” przechodzi od eksploracji akademickiej do transformacji przemysłowej.