Свеобухватан увод у угљеничне наноцеви

Угљеничне наноцеви (ЦНТ) су једно-димензионални цевасти наноматеријали наноразмера формирани увијањем атома угљеника графита као основне јединице. Од свог открића 1991. године, ослањајући се на своју јединствену микроструктуру и одличне свеобухватне перформансе, брзо су постали истраживачка и апликативно језгро у области наноматеријала, широко продирући у многе стратешке индустрије у настајању као што су врхунска-производња, нова енергија, прецизна електроника и ваздухопловство. Познати су као „најпотенцијални функционални материјал у 21. веку“.

И. Основна класификација угљеничних наноцеви

Према разликама у микроструктури, угљеничне наноцеви се углавном могу поделити у три категорије. Производи различитих категорија имају различите фокусе перформанси и погодни су за различите сценарије. Тренутно се у индустрији највише користи неколико-угљеничних наноцеви са зидовима и-угљеничне наноцеви са више зидова, док се ултра-фине угљеничне наноцеви, као високо-категорија сегментираних, фокусирају на потребе високо{6}}прецизних сценарија.

1. Угљеничне наноцеви-са једним зидом (СВЦНТ): формиране увијањем једног слоја графитних плоча, пречника обично између 0,4-2нм. Имају правилну структуру, изузетно ниску стопу оштећења и најбољу електричну и топлотну проводљивост. Међутим, тешко их је припремити, лако се агломерирају и имају високу цену. Углавном се користе у врхунским научним истраживањима, прецизним електронским чиповима и другим сценаријима са екстремним захтевима за перформансе.

2. Угљеничне наноцеви са више-угљеничних наноцеви (МВЦНТ): формиране увијањем више слојева концентричних графитних плоча, са опсегом пречника од 2-100 нм и дужином до нивоа микрометара. Имају зрелу технологију припреме, умерену цену и одличну механичку стабилност, али су њихова електрична проводљивост и дисперзија мало инфериорнији у односу на угљеничне наноцеви са једним-и неколико{7}}зидних зидова. Углавном се користе у сценаријима средњег{8}}до-спремног проводљивости и ојачања, као што су обични проводљиви премази и пластичне модификације.

3. Неколико-угљеничних наноцеви са зидовима (ФВЦНТ): између једнозидних-и вишезидних-зида, формираних увијањем 2-5 слојева графитних плоча, пречника 2-8нм. Имају и високу електричну проводљивост угљеничних наноцеви са-угљеним наноцевима са једним зидом и механичку стабилност угљеничних наноцеви{13} са више зидова и имају боље перформансе дисперзије. Они су тренутно најбољи избор у равнотежи између перформанси и цене. Ултра{14}}фине угљеничне наноцеви (пречник мањи или једнак 10 нм), као врхунски сегмент угљеничних наноцеви са неколико зидова, додатно побољшавају дисперзију и функционалну прилагодљивост и погодне су за прецизније сценарије примене.

ИИ. Основне карактеристике угљеничних наноцеви

Одличне перформансе угљеничних наноцеви потичу од њихове јединствене цевасте структуре графита. Они показују предности изван традиционалних материјала у многим димензијама као што су механика, електрична енергија, термологија и хемија, што је такође основни разлог зашто могу заменити традиционалне материјале као што је проводљива чађа и оснажити индустријску надоградњу.

1. Електричне карактеристике: Угљене наноцеви имају одличну електричну проводљивост, са запреминском отпорношћу од само 1,0×10⁻⁴-5,0×10⁻³ Ω·цм и површинском отпорношћу подесивом на 1,0×10¹-5,0×10⁴² Ω/ск². Имају брзу брзину преноса електрона, а њихова електрична проводљивост је много боља од традиционалних материјала као што су проводљива чађа и графит. Поред тога, њихова отпорност је јака, на коју не утичу лако фактори околине као што су температура и влажност, и могу дуго времена одржавати високу ефикасну електричну проводљивост.

2. Механичке карактеристике: Затезна чврстоћа угљеничних наноцеви може да достигне 40-80 ГПа, модул еластичности је чак 1,0×10³-1,8×10³ ГПа, а тврдоћа је 20-40 ГПа, што је више од 100 пута више од челика. Истовремено, имају одличну жилавост и отпорност на хабање. Додавање мале количине (1%-5%) у матричне материјале као што су пластика, гума и керамика може значајно побољшати механичку чврстоћу, отпорност на ударе и животни век материјала, постижући двоструке циљеве „лака тежина + високе перформансе“.

3. Термичке карактеристике: Аксијална топлотна проводљивост угљеничних наноцеви може да достигне 1500-3000 В/(м·К), радијална топлотна проводљивост је 50-100 В/(м·К), а температура отпорности на топлоту је чак 700 степени (у окружењу инертног гаса). Они могу да одржавају стабилне перформансе у широком температурном опсегу од -100 до 600 степени без распадања или старења. Имају и високу-ефикасну топлотну проводљивост и одличну отпорност на високе температуре, погодне за обраду на високим температурама и врхунске сценарије одвођења топлоте.

4. Хемијске и дисперзионе карактеристике: Угљене наноцеви имају одличну хемијску стабилност, отпорне су на оштра хемијска окружења као што су јаке киселине, јаке алкалије и органски растварачи, не реагују са већином хемикалија и имају изузетну отпорност на оксидацију и корозију. Након професионалног третмана модификације површине, они могу ефикасно решити проблем агломерације, постићи уједначену дисперзију у води, органским растварачима и различитим матричним материјалима без додавања прекомерних дисперзаната, а стабилност дисперзије може досећи више од 72 сата.

5. Карактеристике животне средине: Саме угљеничне наноцеви су не-токсичне, безукусне и немају ризик од загађења прашином, у складу су са међународним стандардима заштите животне средине и безбедности. У поређењу са недостацима традиционалне проводљиве чађе, која је склона загађењу прашином и која садржи нечистоће тешких метала, они су погоднији за потребе врхунских-производа за заштиту животне средине и могу се применити на прецизне сценарије који се односе на медицинску употребу и контакт са храном.

ИИИ. Основна поља примене угљеничних наноцеви

Ослањајући се на свеобухватне предности перформанси, угљеничне наноцеви су постепено замениле традиционалне проводне и ојачавајуће материјале, постајући основни материјал за подршку за надоградњу различитих{0}}индустрија високе класе. Њихови сценарији примене се стално шире, покривајући многа поља, од научних истраживања до масовне производње, од цивилног високог-до националне одбране и војне индустрије.

1. Ново енергетско поље: Као основни функционални материјал, широко се користи у производима као што су литијумске батерије, суперкондензатори и горивне ћелије. У литијумским батеријама, може се користити као проводни адитив за побољшање ефикасности пуњења и пражњења, животног века и густине енергије, решавајући болну тачку да традиционални проводљиви агенси имају велику количину додавања и утичу на густину енергије батерије. У суперкондензаторима, може побољшати електричну проводљивост и ефикасност складиштења енергије. У горивним ћелијама, може се користити као носач катализатора за побољшање каталитичке активности и стабилности.

2. Поље прецизне електронике: Погодно за сценарије као што су антистатик, електромагнетна заштита, расипање топлоте чипа и флексибилна електроника. Може се користити за припрему антистатичких премаза и електромагнетних заштитних материјала, смањење статичког електрицитета на површини електронских производа, побољшање ефекта електромагнетне заштите и осигурање стабилности рада прецизних електронских компоненти. Као материјал за расипање топлоте чипа, може брзо да извози топлоту чипа и продужи радни век чипа. У исто време, може се користити за припрему флексибилних проводних филмова, транзистора са ефектом поља, итд., помажући развоју флексибилне електронске индустрије.

3. Поље напредних композитних материјала: Користи се за ојачавање и модификацију полимерних композитних материјала (пластика, гума, влакна), композитних материјала са металном матрицом и композитних материјала са керамичком матрицом, побољшавајући механичку чврстоћу, електричну проводљивост, топлотну проводљивост и отпорност материјала на хабање. Широко се користи у компонентама за ваздухопловство, аутомобилским лаким деловима,-кућиштима врхунске опреме итд., остварујући лагану и{4}}наградњу високих перформанси материјала.

4. Област научног истраживања: Као главни носилац истраживања наноматеријала, широко се користи у лабораторијским истраживањима на универзитетима и научноистраживачким институтима, укључујући истраживање перформанси угљеничних наноматеријала, развој нових функционалних материјала, истраживање механизама електронског преноса и биомедицину (носачи за испоруку лекова), пружајући основну подршку наносцима и продор технологије.

5. Остале области: Може се користити за припрему врхунских-проводљивих мастила и-отпорних на хабање и-премаза против корозије, прилагођавајући се потребама штампане електронике и врхунске-заштите опреме. Као материјал за адсорпцију животне средине, може се користити за адсорпцију тешких метала и загађивача, помажући у управљању животном средином. Истовремено, он такође игра незаменљиву улогу у врхунским-областима као што су национална одбрана и војна индустрија и истраживање свемира.

ИВ. Индустријски развој и техничка подршка угљеничних наноцеви

Уз брзу надоградњу глобалне индустрије врхунског квалитета-, потражња на тржишту за угљеничним наноцевима наставља да расте, а развој индустрије се постепено трансформише од „лабораторијског истраживања и развоја“ у „велику- масовну производњу и прилагођену примену“. Пробој основних технологија и великих{3}}производних капацитета постали су кључ за промовисање популаризације и примене угљеничних наноцеви.

Тренутно је домаћа индустрија угљеничних наноцеви постигла независан напредак, разбијајући дугорочни-монопол страних предузећа у области-угљених наноцеви високе класе. Међу њима, предузећа са пуном техничком снагом-ланца су превазишла кључне техничке проблеме као што су „прецизна контрола ултра-фине величине честица“, „висока-дисперзија стабилности“ и „велика- масовна производња“, формирајући комплетан индустријски ланац од набавке сировина, услуга језгра процеса, истраживања и развоја до прецизног{7} тестирања, велике производње{7}} и производње по мери.

Узимајући Схандонг ТАНФЕНГ, водеће предузеће на пољу домаћег угљеничних наноцеви, као пример, ослањајући се на професионални тим за истраживање и развој са просечно више од 12 година искуства, акумулирао је више од 30 независних патената за проналазак. Независно је развио ексклузивну модификацију површине и прецизне процесе пречишћавања, који могу прецизно подесити величину честица, отпорност и дисперзионе перформансе угљеничних наноцеви. Изградио је ексклузивну производну базу међународног стандарда, опремљену потпуно аутоматским производним линијама са затвореном{4}}петљом, са годишњим производним капацитетом од 1000 тона, остварујући пуну-интелигентну контролу процеса како би се осигурале стабилне перформансе серије. Изградио је најкомплетнији професионални центар за тестирање у индустрији, опремљен комплетним сетом увезене високо{8}}опреме за тестирање, како би свеобухватно тестирао 18 кључних индикатора како би се осигурао квалитет производа. У исто време, пружа прилагођене услуге „један на-један“ и комплетну-техничку подршку за процесе како би се прилагодила персонализованим потребама различитих индустрија и промовисала примену угљеничних наноцеви у различитим областима.

У будућности, уз континуирану итерацију технологије и даљу оптимизацију трошкова производње, угљеничне наноцеви ће постепено продирати у сценарије средњег{0}}до-високог{2}}класе, замењујући традиционалне материјале како би се постигла индустријска надоградња. Истовремено, у новим областима као што су чипови на бази угљеника-, биомедицина и истраживање свемира, очекује се да отворе нове просторе за апликације и постану кључна сила која покреће координиран развој нанонауке и технологије и врхунске производње.