Co jest twardsze, nanorurki węglowe czy diamenty? Co jest silniejsze?

Nanorurki węglowe i diamenty mają porównywalną twardość, ale ich definicje słowa „twardy” są różne. Pod względem twardości zarysowania (twardość Mohsa) diament wynosi 10 i jest najwyższy wśród naturalnych minerałów. Nanorurki węglowe nie mają standardowej twardości w skali Mohsa, ale ich zdolność do zarysowania jest porównywalna z diamentem. Pod względem twardości Vickersa (odporności na wgniecenia) diament ma 7140-15300 HV, podczas gdy nanorurki węglowe mają około 1000-2000 HV. Jednakże w ramach badań zsyntetyzowano trójwymiarowe nanorurki węglowe związane kowalencyjnie o twardości Vickersa wynoszącej 82,8 GPa. Pod względem wytrzymałości nanorurki węglowe są 100 razy mocniejsze od stali i można je rozciągać. Diamenty, choć twarde, są bardzo kruche i można je rozbić młotkiem.Wniosek:W przypadku twardości zarysowania diament ≈ nanorurka węglowa; pod względem udarności nanorurka węglowa całkowicie przewyższa diament.

1. Najpierw zrozum „twardość”: oznacza ona różne rzeczy

Wniosek:W życiu codziennym słowo „twardy” ma właściwie dwa znaczenia: - twardość na zarysowanie (odporność na zużycie) i odporność na uderzenia. Diament wygrywa tylko w pierwszym, ale przegrywa w drugim.

Przed porównaniem nanorurek węglowych i diamentów należy wyjaśnić: co właściwie oznacza „twardość”?

Wiele osób błędnie uważa, że ​​wysoka twardość oznacza, że ​​„nie da się złamać młotkiem”. To błędne przekonanie.

Profesjonalnie twardość dzieli się głównie na dwa typy:

Diament:Twardość Mohsa 10, najwyższa spośród minerałów naturalnych. Jednakże występuje w nim „rozszczepienie oktaedryczne” -, gdy siła zostanie przyłożona w określonym kierunku, nawet niewielka ilość może spowodować jego rozszczepienie. Uderzenie diamentu młotkiem spowoduje rozbicie go na proszek. Nie dzieje się tak dlatego, że jego twardość jest niewystarczająca, ale dlatego, że jego kruchość jest wysoka.

Nanorurki węglowe:Złożony z atomów węgla połączonych wiązaniami kowalencyjnymi C=C, jednym z najbardziej stabilnych wiązań chemicznych w przyrodzie. Ich twardość w skali Mohsa nie ma standardowej wartości, ale ich zdolność do zarysowania jest „porównywalna” z diamentem. Kluczową kwestią jest to, że nanorurki węglowe również „mają dobrą elastyczność i można je rozciągać”.

Aby użyć analogii:Diament jest jak kawałek szkła, - którego powierzchnia jest niezwykle twarda i-odporna na zużycie, ale rozbija się po upuszczeniu na podłogę. Nanorurki węglowe są jak drut stalowy - mogą również zarysować szkło, ale można je również zginać, rozciągać i są niezniszczalne.

2. Niech przemówią dane: nanorurki węglowe kontra diamenty - Co jest silniejsze?

Wniosek:Pod względem wytrzymałości na rozciąganie i wytrzymałości właściwej (wytrzymałość ÷ gęstość) nanorurki węglowe są „super włóknem”, któremu diament nie może się równać. Pod względem twardości Vickersa naturalne nanorurki węglowe nie są tak twarde jak diament, ale sztucznie syntetyzowane odmiany zbliżyły się do tej wartości, a nawet ją przekroczyły.

Spójrzmy bezpośrednio na porównanie danych:

Warto bliżej przyjrzeć się kilku z tych punktów danych:

1. Wytrzymałość na rozciąganie: Nanorurki węglowe wygrywają całkowicie
Wytrzymałość na rozciąganie nanorurek węglowych wynosi 50-200 GPa. Chociaż diament jest twardy, nie jest dobry w „przeciwstawianiu się napięciu”. Użyję analogii: Diament jest jak szklana cegła - nie można go zmiażdżyć, ale łatwo pęka przy pociągnięciu.

2. Moduł sprężystości: Nanorurki węglowe nieco lepsze
Moduł sprężystości mierzy „odporność na odkształcenia”. Diament ma około 1,0-1,2 TPa. Teoretyczna wartość dla nanorurek węglowych może sięgać 5 TPa, a zmierzone wartości zazwyczaj mieszczą się w zakresie 1-1,8 TPa. Pod względem „sztywności” są one mniej więcej równoważne, a nanorurki węglowe mają nawet niewielką krawędź.

3. Specyficzna wytrzymałość: Nanorurki węglowe dominują we wszystkim
Wytrzymałość właściwa=siła ÷ gęstość, mierząca „ile siły ciągnącej może wytrzymać ciężar jednostkowy”. Wytrzymałość właściwa nanorurek węglowych jest 100 razy większa od wytrzymałości stali i osiąga 25-100 GPa·cm3/g. Oznacza to: gdybyś zrobił linę z nanorurek węglowych, byłaby ona 100 razy mocniejsza niż lina stalowa o tej samej wadze. Z tego też powodu w powieści science fiction „Problem trzech ciał” wykorzystano „latające nano ostrza” do przecięcia gigantycznych statków i dlaczego naukowcy przewidują wykorzystanie nanorurek węglowych do budowy „windy kosmicznej”.

4. Ultra-nanorurki węglowe: nowy przełom naukowy
W badaniu przeprowadzonym w 2022 r. zaprojektowano trójwymiarową-nanorurkę węglową związaną kowalencyjnie na podstawie obliczeń teoretycznych. Jego twardość Vickersa osiągnęła 82,8 GPa, porównywalną z sześciennym azotkiem boru. W innym badaniu przeprowadzonym w tym samym roku przewidziano istnienie dwóch metastabilnych, ultra{5}}polimerów nanorurek węglowych o twardości Vickersa odpowiednio 40,4 GPa i 37,1 GPa.

Dane te pokazują, że nanorurki węglowe mogą nie tylko pokonać diament pod względem wytrzymałości, ale naukowcy umożliwiają im także przewyższenie diamentu pod względem wskaźnika „twardości”.

3. Czy „NanoLatające Ostrze” istnieje naprawdę? Jak mocne są nanorurki węglowe?

Wniosek:„Nanolatające ostrze” z filmu „Problem trzech-ciał”, które przecina gigantyczne statki, opiera się na nanorurkach węglowych. W rzeczywistości teoretyczna wytrzymałość nanorurek węglowych jest rzeczywiście wystarczająca, aby „przebić metal jak błoto”.

W powieści science fiction „Problem trzech-ciał” „latające nano ostrze” tylko-jedna dziesiąta grubości ludzkiego włosa może przeciąć gigantyczny statek niczym tofu. Ta koncepcja nie została wymyślona z powietrza - jej prototypem jest nanorurka węglowa.

Co w rzeczywistości mogą osiągnąć nanorurki węglowe?

100 razy mocniejszy od stali:Wiązka nanorurek węglowych cieńsza od ludzkiego włosa teoretycznie mogłaby unieść samochód.

Silniejszy niż jakiekolwiek włókno:Nanorurki węglowe są znacznie lepsze od wszelkich znanych włókien zarówno pod względem wytrzymałości, jak i wytrzymałości.

Kosmiczna winda to nie sen:Naukowcy uważają, że nanorurki węglowe są najlepszym materiałem kandydatem do produkcji kabla „windy kosmicznej”.

Oczywiście obecne wąskie gardło techniczne polega na tym, jak odtworzyć wyjątkową wydajność pojedynczej nanorurki węglowej w materiale makroskopowym. Jest to trudny problem, nad którym pracują naukowcy na całym świecie.

4. Jak nowy materiał Tanfeng wytwarza ten „supermateriał”

Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. przekształca doskonałe właściwości mechaniczne nanorurek węglowych w produkty nadające się do masowej-produkcji, wyprowadzając „supermateriał” z laboratorium.

Teoria to jedno, ale prawdziwe zastosowanie „supermocy” nanorurek węglowych w rzeczywistych produktach wymaga od firm opanowania 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 proszku nanorurek węglowych, pasty przewodzącej i materiałów krzemowych-anod węglowych. Jej produkty obejmują pełną gamę jedno-nanorurek węglowych i wielościennych-nanorurek węglowych.

Jakie są jego możliwości techniczne?

Posiada kilkanaście aktywnych patentów związanych z nanorurkami węglowymi.

Opanowuje różne procesy przygotowania, w tym wyładowania łukowe, ablację laserową i chemiczne osadzanie z fazy gazowej (CVD).

Czystość produktu Większa lub równa 98%; wielkość cząstek proszku może osiągnąć 5-15 μm.

Miesięczna produkcja sięga 200 ton, już w produkcji masowej.

Gdzie stosuje się właściwości mechaniczne nanorurek węglowych?Teoretyczny moduł Younga produktów z nanorurek węglowych firmy Tanfeng może osiągnąć 5 TPa, przy wytrzymałości około 100 razy większej niż w przypadku stali i gęstości zaledwie 1/6 stali. Te doskonałe właściwości mechaniczne są wykorzystywane w następujących dziedzinach:

Firma ściśle przestrzega krajowej strategii rozwoju nowej energii i nowych materiałów, a jej zakres działalności obejmuje cały kraj, aspirując do pozycji „dostawcy zaawansowanych materiałów i usług technicznych”.

Podsumowanie w jednym-zdaniu:Podczas gdy naukowcy udowadniają w laboratoriach, że nanorurki węglowe są „super włóknem”, firmy takie jak Tanfeng New Material przekształcają je w produkty, które można kupić.

Wniosek: co jest trudniejsze? Odpowiedź zależy od tego, jak zdefiniujesz „trudny”

Ostateczny wniosek jest następujący:

W tradycyjnym znaczeniu „odporności na zużycie” nanorurki diamentowe i węglowe mają swoje zalety. Jednak pod względem „kompleksowych właściwości mechanicznych” - szczególnie wytrzymałości na rozciąganie, wytrzymałości i wytrzymałości właściwej - nanorurki węglowe są niekwestionowanym królem.

Diament to „najtwardszy naturalny minerał na Ziemi”, ale nanorurki węglowe to „najsilniejsze włókno wytworzone przez człowieka”.

Jak powiedział jeden z badaczy materiałów: „Diament jest królem przeszłości, a nanorurki węglowe są kamieniem węgielnym przyszłości”.

A ponieważ ten przyszły materiał jest-masowo produkowany przez firmę Shandong Tanfeng, możemy powiedzieć: nadeszła era nanorurek węglowych.