Колико су добре електричне и топлотне проводљивости угљеничних наноцеви? Права анализа учинка заснована на подацима
У науци о материјалима, неколико супстанци је деценијама очарало истраживаче попут угљеничних наноцеви. Ове цевасте структуре, које се у потпуности састоје од атома угљеника и имају само једну десет-хиљадити део пречника људске косе, оличавају скоро сва очекивања од суперматеријала следеће-генерације. Током разговора са купцима, увек се поставља једно питање: колико су добре електричне и топлотне проводљивости угљеничних наноцеви? Данас ћемо на то питање одговорити подацима и чињеницама.
1. Електрична проводљивост: Електрони јуре низ "супераутопут"
Да бисмо разумели електричне перформансе ЦНТ-а, прво морамо да ценимо њихову структуру. Атоми угљеника се везују путем сп² хибридизације-међу најјачим познатим хемијским везама. У овој конфигурацији, електрони се могу брзо кретати дуж зида цеви без икаквих препрека, што је феномен познат као балистички транспорт електрона.
1.1 Упечатљиви бројеви: десет хиљада пута већи од бакра
И теоријски и експериментални резултати су упечатљиви: дуж специфичних праваца, ЦНТ могу показати електричну проводљивостдесет хиљада пута већи од бакра. На собној температури, електрична проводљивост СВЦНТ може достићи чак 10³ С/цм. Шта ово значи? Ако су конвенционалне жице попут неравних сеоских путева на којима се електрони боре да се крећу, ЦНТ су попут супераутопута са осам-трака који омогућавају несметан проток електрона.
Мета{0}}анализа спроведена на Универзитету у Кембриџу испитала је 1.304 тачке података из 266 рецензираних радова{4}}. Налази су показали да допирани, поређани ЦНТ са неколико-зидова (ФВЦНТ) представљају категорију са најбољим{7}}учинком, са кисело-преденим влакнима која показују посебно изванредну електричну проводљивост. Иако се електрична проводљивост макроскопских ЦНТ склопова још увек није у потпуности поклапала са бакром (тренутно око једне-шестине бакра), имајући у виду да ЦНТ имају само делић густине челика, њихова специфична проводљивост (однос-према{12}}однос густине) већ показује.
1.2 Зашто су ЦНТ тако високо проводљиви?
Објашњење лежи у квантној механици. У конвенционалним проводницима, електрони се непрекидно сударају док се крећу, стварајући отпор. У ЦНТ-има, због својих изузетно малих димензија и савршене структуре, електрони могу да путују „балистички“ без скоро никаквог стварања топлоте. сп² хибридизација Ц–Ц веза омогућава електронима на површини ЦНТ-а да се крећу брзином која се приближава 1/300 брзине светлости, са мобилношћу електрона која достиже 20.000 цм²/(В·с).
Штавише, у зависности од њихове хиралности, ЦНТ могу да испоље или метално или полупроводно понашање. Ова подесива карактеристика отвара огромне могућности за њихову примену у електронским уређајима. Универзитет Станфорд је 2013. године успешно развио прототип централне процесорске јединице изграђене у потпуности од ЦНТ-а. Иако је његова радна фреквенција у то време била само 1 кХз, доказала је изводљивост овог приступа.
2. Топлотна проводљивост: надмашује дијамант
Ако је електрична проводљивост учинила ЦНТ веома атрактивним за електронику, њихове термалне перформансе су одушевиле стручњаке за управљање топлотом.
2.1 Теоријска граница: 5800 В/(м·К)
Теоријска предвиђања указују да ЦНТ вероватно поседују већу топлотну проводљивост од дијаманта, што их потенцијално чини материјалом са највише топлоте на свету. Који су конкретни бројеви? СВЦНТ могу достићи топлотну проводљивост од5800 W/(m·K), док МВЦНТ постижу око 3000 В/(м·К). Поређења ради, дијамант-најбољи природни топлотни проводник-има топлотну проводљивост од приближно 2200 В/(м·К). Другим речима, ЦНТ може провести топлоту више од три пута боље од дијаманта.
2.2 Од теорије до праксе
Наравно, мерење топлотне проводљивости појединачног ЦНТ-а је изузетно изазовно. Рана мерења на појединачним МВЦНТ-има дала су вредности око 3000 В/(м·К), у складу са теоријским предвиђањима.
Важна тачка коју треба разјаснити је да када се ЦНТ састављају у макроскопске материјале као што су филмови или влакна, укупна топлотна проводљивост значајно опада. Разлог је једноставан: контакти-на-цеви и шупљине унутар материјала ометају проток топлоте. На пример, када се СВЦНТ пресују у масивни лист, измерена топлотна проводљивост собне{4}}температуре је само око 35 В/(м·К). То не значи да сами ЦНТ имају лош учинак; уместо тога, наглашава да преношење изузетних својстава наноразмера на макроскопске склопове остаје кључни изазов за комерцијализацију.
2.3 Механизам топлотне проводљивости: Улога фонона
Топлотна проводљивост у ЦНТ-има је првенствено регулисана фононима. Истраживања показују да је средња слободна путања фонона у ЦНТ приближно 0,5–1,5 μм. Структура сп² олакшава транспорт фонона, дајући ЦНТ-у њихова изванредна термичка својства. Ова ефикасна способност одвођења топлоте нашла је практичну примену. Истраживачи са америчког Националног института за стандарде и технологију (НИСТ) су чак развили премаз на бази МВЦНТ-који смањује запаљивост полиуретанске пене за 35%, захваљујући брзом расипавању топлоте ЦНТ-а и формирању заштитног угљеничног слоја под екстремном топлотом.
3. Шта ова својства могу да ураде у пракси?
Импресивни теоријски подаци морају се на крају превести у практичне примене. Употреба ЦНТ-а као проводних адитива у литијум-јонским батеријама је добро-утврдјен пример.
3.1 Проводна мрежа у литијум{1}}јонским батеријама
У материјалима катодних литијум{0}}јонских батерија, ЦНТ оптерећење од приближно 1,5% може да постигне исти ефекат као 3% конвенционалне чађе. Што је још важније, ЦНТ стварају атродимензионална проводна мрежа-. Једно{1}}димензионални ЦНТ, заједно са активним честицама, формирају 3Д мрежу која ефикасно побољшава транспорт електрона између активног материјала и колектора струје. На пример, са материјалом од литијум-манган оксида (ЛиМн₂О₄), додавање МВЦНТ-а резултирало је задржавањем капацитета од 99% након 20 циклуса, у поређењу са само 90% за чисти материјал.
Перформансе у системима литијум кобалт оксида (ЛиЦоО₂) су подједнако импресивне. При стопи од 2Ц, ћелије ЛиЦоО₂/МВЦНТ показују минимално смањење капацитета, док ћелије које садрже чађу или угљенична влакна показују губитак капацитета од 10% и 30%, респективно, након 20 циклуса. Разлог је једноставан: проводна мрежа формирана од ЦНТ-а олакшава пренос наелектрисања и смањује импедансу.
3.2 Осим литијум{1}}јонских батерија
Осим батерија, ЦНТ продиру у бројна друга поља:
Ваздухопловство: ЦНТ филм развијен на МИТ-у може да загрева и очврсне композитне материјале, трошећи само 1% енергије потребне традиционалним аутоклавима док производи компоненте упоредиве чврстоће.
Електроника: ЦНТ{0}}транзистори су мањи и проводљивији, са потенцијалом да замене силицијум.
Складиштење енергије и управљање топлотом: Нове примене у суперкондензаторима, термалним материјалима интерфејса и другим областима се брзо појављују.
4. Схандонг Танфенг у процесу комерцијализације
После дискусије о теоретским подацима и најсавременијим{0}}применама, вратимо се практичној стварности. Без обзира колико одличан материјал може бити, ако се не може произвести у великим размерама или поуздано испоручити, он остаје илузија за индустрију.
Схандонг Танфенг Нев Материал Тецхнологи Цо., Лтд.је значајан учесник у домаћем процесу комерцијализације ЦНТ-а. Као технолошки{1}}оријентисано предузеће посвећено истраживању и развоју, производњи и продаји ЦНТ-а, портфолио производа компаније Схандонг Танфенг укључује МВЦНТ прах, СВЦНТ прах, ЦНТ проводљиву пасту, ЦНТ проводљиву мастербатцх и силицијум-угљеничне анодне материјале.
Компанија поседује више од десет активних патената који се односе на ЦНТ, силицијум{0}}угљеничне анодне материјале и интелигентну производњу опреме. Ове патентиране технологије обезбеђују техничку поузданост од лабораторијског развоја до масовне производње. Тренутно се производи компаније Схандонг Танфенг широко користе у седам главних сектора: нова енергетска возила, напредни полимерни композити, еластомери, ваздухопловство, железнички транспорт, производња енергије ветра и складиштење енергије водоника.
За ЦНТ прахове, Схандонг Танфенг је развио више класа, укључујући ТФ-210, ТФ-300, ТФ-400 и ТФ-500, са чистоћом већом или једнаком 99% и дужинама у распону од 5 до 15 μм, испуњавајући процесне захтеве различитих купаца. Било да су вам потребни МВЦНТ са високим односом ширине и висине или СВЦНТ за врхунске перформансе, доступна су одговарајућа решења.
За разлику од добављача који нуде само прах, Схандонг Танфенг такође обезбеђује ЦНТ проводне пасте, помажући купцима у низу да избегну истраживање процеса које је обично потребно за дисперзију. Ово је посебно вредно за произвођаче литијум{1}}јонских батерија, пошто равномерно распршивање ЦНТ-а у кашу остаје признати технички изазов у индустрији. Користећи своју-кућно развијену технологију дисперзије, Схандонг Танфенг обезбеђује доследан квалитет серије, омогућавајући купцима да заиста „користе одмах из вреће“.
5. Реалистична перспектива: између перформанси и стварности
Као научници и инжењери материјала, морамо држати очи и на звездама и на земљи. Електрична и топлотна проводљивост ЦНТ-а су заиста теоретски "плафони", али неколико чињеница треба признати у практичним применама:
Прво, својства наносмера нису једнака макроскопским својствима.Појединачни ЦНТ може имати топлотну проводљивост од 5800 В/(м·К), али макроскопски филм направљен од ЦНТ-а може постићи само неколико десетина. Ово није због било каквог недостатка у самим ЦНТ-има, већ пре због контакта-цеви и шупљина у макроскопским склоповима који уносе значајан топлотни отпор.
Друго, дисперзија остаје стални изазов.ЦНТ имају велике површине и јаке ван дер Валсове силе, што их чини склоним агломерацији. Без одговарајуће дисперзије, чак ни највећа електрична проводљивост се не може остварити. Пре{2}}распршене пасте које нуди Схандонг Танфенг су управо намењене за решавање ове болне тачке.
Треће, избор материјала мора одговарати апликацији.Захтеви за проводне адитиве разликују се између литијум гвожђе-фосфатних (ЛФП) батерија и никл-кобалт-манган (НЦМ) батерија, као и између силицијум-угљених анода и графитних анода. За ћелије конвенционалног енергетског{4}}типа, МВЦНТ нуде најбољу -економичност. За системе са брзим -пуњењем или силиконским-анодним системима, СВЦНТ ће можда бити потребни. Схандонг Танфенгова више{10}}матрица производа је дизајнирана да пружи клијентима флексибилност да бирају у складу са њиховим потребама.
Пре неколико година, на индустријској изложби, један инжењер је држао ЦНТ узорак и питао ме: "Подаци за овај материјал изгледају тако импресивно. Зашто не можемо постићи идеалне резултате са њим?" Тада сам одговорио: „Својства материјала и перформансе производа су две различите ствари. Прва зависи од инхерентне способности; друга зависи од вештине.“
И данас се држим тог гледишта. Инхерентна способност ЦНТ-а је ван сумње-они проводе електричну енергију боље од бакра и топлоту боље од дијаманта. Али трансформација те инхерентне способности у стабилне, поуздане производе захтева од компанија као што је Схандонг Танфенг-са патентираним технологијама, производним искуством и акумулираном стручношћу у примени-да стално претварају „способност“ у „вештину“.
Ако тражите поузданог добављача ЦНТ прахова или проводљивих паста, или желите да истражите како би се ЦНТ могли применити у вашим производима, контактирајте Схандонг Танфенг Нев Материал Тецхнологи Цо., Лтд. Хајде да разговарамо о томе како овај „супер материјал“ може да оснажи ваше производе.