Да ли су угљеничне наноцеви заиста 100 пута јаче од челика? Одговор је да. Теоријска затезна чврстоћа угљеничних наноцеви може да достигне 50-200 ГПа, што је 100 пута више од обичног челика исте запремине, са густином само 1/6 од челика. Ова комбинација "мале тежине и велике чврстоће" потиче од стабилне структуре ковалентне везе између атома угљеника. Међутим, повећање изузетних перформанси једне цеви на макроскопске материјале (као што су влакна или каблови) остаје глобални изазов: угљеничне наноцеви су кратке дужине, склоне клизању, а измерене снаге су далеко ниже од теоретских вредности. Као произвођач, Схандонг Танфенг Нев Материал се фокусира на технологију припреме ЦВД-а како би промовисао примену угљеничних наноцеви у областима високих перформанси као што је ваздухопловство.
1. Одакле је дошла тврдња „100 пута јачи од челика“?
Закључак:Тврдња да су угљеничне наноцеви „100 пута јаче од челика“ има теоријску основу - затезна чврстоћа једне савршене угљеничне наноцеви може да достигне 50-200 ГПа, у поређењу са приближно 0,4-1,5 ГПа за обичан челик. Разлика је два реда величине.
„Угљенична наноцев тања од људске косе могла би да подигне аутомобил“ - ова изјава звучи као научна фантастика, али је заиста заснована на чврстим научним доказима.
Тајна снаге угљеничних наноцеви лежи у њиховом „скелету“. Угљеничне наноцеви се састоје од атома угљеника повезаних Ц=Ц ковалентним везама, формирајући савршену хексагоналну структуру саћа. Да би се разбила угљенична наноцева, ове угљеничне-угљеничне везе морају бити прекинуте - што захтева изузетно велику енергију. Теоријска чврстоћа угљеничних наноцеви може достићи 100 пута већу од челика, док је њихова густина веома ниска, само 1/6 од челика.
Погледајмо детаљно поређење података:
| метрика перформанси | Царбон Нанотубес | Обичан челик | Вишеструко |
|---|---|---|---|
| Затезна чврстоћа | 50-200 ГПа | 0,4-1,5 ГПа | Отприлике 100 пута |
| Густина | 1,3-2,0 г/цм³ | 7,9 г/цм³ | Отприлике 1/6 |
| Еластиц Модулус | 1-5 ТПа | 0,2 ТПа | Више од 5 пута |
| Специфична снага (снага ÷ густина) | 25-100 ГПа·цм³/г | 0,05-0,19 ГПа·цм³/г | Стотине пута |
Због ових цифара, угљеничне наноцеви су хваљене као „супер влакна“ и „чудо материјала 21.-века“.
2. Зашто неки људи кажу „Угљеничне наноцеви нису тако јаке“?
Закључак:Празнина лежи у кораку „скалирања“ - појединачне угљеничне наноцеви су веома јаке, али када се саставе у макроскопске материјале (као што су влакна или филмови), чврстоћа значајно опада. Ово је тренутно основно техничко уско грло.
Пошто су угљеничне наноцеви теоретски тако јаке, зашто нисмо видели да „ужад од угљеничних наноцеви” замењује челичне каблове у нашем свакодневном животу? Зашто „нано летећа оштрица“ из „Тхе Тхрее-Проблема са телом“ још није постала прави производ?
Одговор је: постоји огроман инжењерски јаз између „једне цеви“ и „снопа“.
У стварности, направити 'нано летећу оштрицу' је веома тешко. Са тренутним техничким процесима, веома је тешко произвести-савршену атомску структуру дугог домета. 'Нано летећа оштрица' има пречник од само једног нанометра, али дужину стотина метара. Ово је еквивалентно ужету дебљине 1 милиметар који треба да буде дуг 1 милион метара, уз услов да конопац нема дефекта.
Чак и ако се добију центиметар{0}}дугачке супер-угљене наноцеви, када су спојене заједно, затезна чврстоћа је и даље далеко нижа од оне код појединачних угљеничних наноцеви. Разлози су вишеструки:
| Уско грло Линк | Специфичан проблем | Утицај |
|---|---|---|
| Ограничена дужина | Појединачне угљеничне наноцеви су обично дугачке само десетине микрометара до центиметара | Не могу се директно користити као макроскопски каблови |
| Клизна међуцевна | Угљеничне наноцеви су повезане ван дер Валсовим силама, што их чини склоним клизању под стресом | Снага нагло опада |
| Структурни дефекти | Несавршени атомски аранжмани постоје у стварној припреми | Постаните тачке концентрације стреса |
| Преостали стрес | Различите цеви у снопу носе неуједначен напон; неке су превише-затегнуте, неке превише-олабављене | Превремени прелом |
Тим са Универзитета Тсингхуа је открио да стратегија „истовременог опуштања“ - прво сечење да би се ослободио заостали стрес, а затим истезање - може повећати снагу снопа на преко 80 ГПа. Ово је већ велики напредак, али још увек постоји јаз у односу на теоријске границе угљеничних наноцеви (отприлике 200 ГПа), и још већа удаљеност од крајњих примена као што је „кабл свемирског лифта“.
3. Шта чини угљеничне нанотопе „јаким“? Које друге особине поседују осим снаге?
Закључак:Угљеничне наноцеви нису само „јаке“, већ и „чврсте“, „лаке“ и „тврде“ - оне комбинују високу чврстоћу, високу жилавост, малу тежину и велику тврдоћу. Њихова свеобухватна механичка својства су без премца међу свим познатим материјалима.
Многи људи мисле да су угљеничне наноцеви само „велике снаге“, али је њихова „све{0}}способност“ заправо најневероватнији аспект.
1. Висока жилавост: Јака, али не крхка
За разлику од дијаманата, угљеничне наноцеви су тврде, али и флексибилне. Приликом савијања угљеничне наноцеви или примене аксијалног притиска на њу, чак и ако спољна сила премашује Ојлерову границу чврстоће, угљенична наноцев се неће сломити. Уместо тога, подлеже великом-савијању под великим углом. Када се спољна сила ослободи, угљенична наноцев се враћа у првобитни облик. Његово теоријско максимално издужење може да достигне 20%.
2. Висока тврдоћа: упоредива са дијамантом
Тврдоћа угљеничних наноцеви је упоредива са тврдоћом дијаманта. То значи да могу да покажу изузетно високу отпорност на хабање у тестовима на гребање, а истовремено издрже деформацију затезања - комбинацију „тврдог и издржљивог“ која је изузетно ретка.
3. Ултра-густина: 1/6 од челика
Густина угљеничних наноцеви је само 1,3-2,0 г/цм³, што је чак и лакше од алуминијума. Ово им даје изузетно високу „специфичну снагу“ - носивост по јединици тежине.
| Димензије перформанси | Перформансе угљеничних наноцеви | Материјал за поређење |
|---|---|---|
| Снага | 50-200 ГПа | 100 пута више од челика |
| Жилавост | Може се истегнути и савијати | Дијамант: разбија се чекићем |
| Тврдоћа | Упоредиво са дијамантом | Дијамантска Мохсова тврдоћа 10 |
| Густина | 1,3-2,0 г/цм³ | 1/6 од челика |
| Аспецт Ратио | Преко 1000:1 | Најмање 20:1 за инжењерска влакна |
4. Од научне фантастике до стварности: ко покреће ову „револуцију снаге“?
Закључак:Кинески научници и компаније раде заједно - универзитети као што је Тсингхуа пробијају се у припреми „супер-дугачких“ и „супер-јаких“ угљеничних наноцеви, док компаније као што је Схандонг Танфенг Нев Материал промовишу своју комерцијалну примену.
На путу од лабораторије до индустријализације угљеничних наноцеви, кинески тимови су на челу света.
Граница научног истраживања: Пробој на Универзитету Тсингхуа
2018. објавили су рад уНанотехнологија природеизвештавајући о сноповима угљеничних наноцеви чија је затезна чврстоћа већа од 80 ГПа.
2020. објавили су рад уНаукаекспериментално демонстрирајући да се угљеничне наноцеви могу континуирано растезати стотине милиона пута без ломљења.
Ова достигнућа су поставила чврсту материјалну основу за инжењерску примену угљеничних наноцеви.
Индустријска примена: Изглед новог материјала Схандонг Танфенг
Претварање „супер снаге“ угљеничних наноцеви у праве производе захтева од компанија да савладају -технологију производње високо-квалитетних угљеничних наноцеви. Схандонг Танфенг Нев Материал Тецхнологи Цо., Лтд. је један од практичара у овој области.
Главни производи компаније Танфенг Нев Материал обухватају угљеничне наноцеви са једним-зидом, угљеничне наноцеви са више-стила, силицијумске-угљеничне анодне материјале и проводне пасте. Његове основне компетенције су:
| Предност новог материјала Танфенг | Специфичан садржај |
|---|---|
| Процес припреме | Masters chemical vapor deposition (CVD); purity can reach >99.5% |
| Продуцт Матрик | Потпуна покривеност цеви са једним-зидом, двоструким-и више-зидним цевима |
| Циљна тржишта | Седам главних праваца укључујући ваздухопловство, транзит железницом, енергију ветра и возила нове енергије |
| Метод примене | Као средство за ојачавање композитних материјала, пружајући{0}}снажна и лагана решења |
У области ваздухопловства, угљеничне наноцеви се могу користити за производњу лаких структурних компоненти трупа.
У транзиту шином, могу се користити за смањење телесне тежине возила уз одржавање безбедносне снаге.
У енергији ветра, могу се користити за побољшање отпорности на замор огромних лопатица - ово су све примене својства „100 пута јаче од челика“ угљеничних наноцеви.
Резиме: "Снага" угљеничних нанотрака је и чињеница и правац
Угљеничне наноцеви су заиста „100 пута јаче од челика“ - ово је консензус у области науке о материјалима, подржан чврстим теоријским и експерименталним подацима. Кључне чињенице које подржавају овај закључак укључују:
| Ниво | Кључне тачке |
|---|---|
| Теоријски | Савршена угљенична наноцев може имати затезну чврстоћу до 200 ГПа, више од 100 пута већу од челика, са густином само 1/6 од челика |
| Експериментално | Тим Универзитета Тсингхуа припремио је макроскопске снопове угљеничних наноцеви са затезном чврстоћом већом од 80 ГПа |
| Индустријализација | Компаније као што је Схандонг Танфенг Нев Материал промовишу угљеничне наноцеви високе-чистоће на тржишта високих{1}}перформанси као што су ваздухопловство и возила нове енергије |
Међутим, ова "снага" се тренутно углавном огледа на нивоу појединачних наноцеви. Макроскопско скалирање остаје глобални технички изазов. Када се припремају макроскопски материјали од угљеничних наноцеви са одличним механичким својствима, затезна чврстоћа је често далеко нижа од оне код појединачних угљеничних наноцеви. Решавање проблема као што су „клизање међу- цеви“, „структурни дефекти“ и „заостали напрезање“ је управо правац у коме научници и компаније заједнички раде.
Од „нано летеће оштрице“ у „Проблему три-тела“, до „свемирског лифта“ који су замислили научници, до смањења тежине у ваздухопловству које се данас дешава - угљеничне наноцеви се крећу корак по корак од задивљујуће тачке података „100 пута јаче од челика“ ка инжењерској стварности од 100 пута јаког челика.