Ovatko hiilinanoputket todella 100 kertaa vahvempia kuin teräs? Vastaus on kyllä. Hiilinanoputkien teoreettinen vetolujuus voi nousta 50-200 GPa:iin, mikä on 100 kertaa tavallinen samantilavuusteräs, jonka tiheys on vain 1/6 teräksen tiheydestä. Tämä "kevyen ja suuren lujuuden" yhdistelmä on peräisin hiiliatomien välisestä vakaasta kovalenttisesta sidosrakenteesta. Yhden putken poikkeuksellisen suorituskyvyn skaalaaminen makroskooppisiin materiaaleihin (kuten kuidut tai kaapelit) on kuitenkin edelleen maailmanlaajuinen haaste: hiilinanoputket ovat pituudeltaan lyhyitä, alttiita liukumaan ja mitatut lujuudet ovat paljon teoreettisia arvoja alhaisemmat. Valmistajana Shandong Tanfeng New Material keskittyy CVD-valmistusteknologiaan edistääkseen hiilinanoputkien käyttöä korkean suorituskyvyn aloilla, kuten ilmailuteollisuudessa.
1. Mistä väite "100 kertaa terästä vahvempi" tuli?
Johtopäätös:Väitteellä, että hiilinanoputket ovat "100 kertaa vahvempia kuin teräs", on teoreettinen perusta - yhden täydellisen hiilinanoputken vetolujuus voi olla 50-200 GPa verrattuna tavallisen teräksen noin 0,4-1,5 GPa:iin. Ero on kaksi suuruusluokkaa.
"Ihmisen hiusta ohuempi hiilinanoputki voisi nostaa auton" - tämä väite kuulostaa tieteiskirjallisuudesta, mutta se todellakin perustuu vankkaan tieteelliseen näyttöön.
Hiilinanoputkien lujuuden salaisuus piilee niiden "luurankossa". Hiilinanoputket koostuvat hiiliatomeista, jotka on yhdistetty kovalenttisilla C=C-sidoksilla ja muodostavat täydellisen kuusikulmainen hunajakennorakenteen. Hiilinanoputken rikkomiseksi nämä hiili-hiilisidokset on katkaistava -, mikä vaatii erittäin paljon energiaa. Hiilinanoputkien teoreettinen lujuus voi olla 100 kertaa teräksen tiheys, kun taas niiden tiheys on hyvin alhainen, vain 1/6 teräksen tiheydestä.
Katsotaanpa yksityiskohtaista tietojen vertailua:
| Suorituskykymittari | Hiilinanoputket | Tavallinen teräs | Useita |
|---|---|---|---|
| Vetolujuus | 50-200 GPa | 0,4-1,5 GPa | Noin 100 kertaa |
| Tiheys | 1,3-2,0 g/cm³ | 7,9 g/cm³ | Noin 1/6 |
| Elastinen moduuli | 1-5 TPa | 0,2 TPa | Yli 5 kertaa |
| Ominaislujuus (lujuus ÷ tiheys) | 25-100 GPa·cm³/g | 0,05-0,19 GPa·cm³/g | Satoja kertoja |
Näiden lukujen vuoksi hiilinanoputkia on ylistetty "superkuiduksi" ja "2000-luvun materiaalien ihmeeksi".
2. Miksi jotkut ihmiset sanovat "hiilinanoputket eivät ole niin vahvoja"?
Johtopäätös:Rako on "skaalaus"-vaiheessa - yksittäiset hiilinanoputket ovat erittäin vahvoja, mutta kun ne kootaan makroskooppisiin materiaaleihin (kuten kuiduihin tai kalvoihin), lujuus laskee merkittävästi. Tämä on tämänhetkinen ydintekninen pullonkaula.
Koska hiilinanoputket ovat teoriassa niin vahvoja, miksi emme ole nähneet "hiilinanoputkiköydet" korvaavan teräskaapeleita jokapäiväisessä elämässämme? Miksi "The Three-Body Problem" -elokuvan "nano flying blade" ei ole vielä tullut oikeaksi tuotteeksi?
Vastaus on: "yhden putken" ja "nipun" välillä on valtava tekninen ero.
Todellisuudessa "nano lentävän terän" valmistaminen on erittäin vaikeaa. Nykyisillä teknisillä prosesseilla on erittäin vaikeaa luoda pitkän kantaman täydellinen atomijärjestelyrakenne. "Nano lentävän terän" halkaisija on vain yksi nanometri, mutta pituus satoja metrejä. Tämä vastaa 1 millimetrin paksuista köyttä, jonka on oltava 1 miljoona metriä pitkä, edellyttäen, että köydessä ei ole vikoja.
Vaikka saadaan senttimetriä-pitkiä super-hiilinanoputkia, kun ne niputetaan yhteen, vetolujuus on silti paljon pienempi kuin yksittäisen hiilinanoputken. Syitä on monia:
| Pullonkaula linkki | Erityinen ongelma | Vaikutus |
|---|---|---|
| Rajoitettu pituus | Yksittäiset hiilinanoputket ovat tyypillisesti vain kymmeniä mikrometrejä - senttimetrejä pitkiä | Ei voida käyttää suoraan makroskooppisena kaapeleina |
| Putkien välinen-liukuva | Hiilinanoputket yhdistetään van der Waalsin voimilla, mikä tekee niistä alttiita liukumaan jännityksen alaisena | Voima putoaa jyrkästi |
| Rakenteelliset viat | Varsinaisessa valmistelussa on epätäydellisiä atomijärjestelyjä | Ryhdy stressin keskittymispisteisiin |
| Jäännösstressi | Eri putket nipussa kantavat epätasaista rasitusta; jotkut ovat yli-kiristyneitä, toiset ovat yli-löysettyjä | Ennenaikainen murtuma |
Tsinghuan yliopiston tiimi havaitsi, että "samanaikainen rentoutus" -strategia - ensin leikkaaminen jäännösjännityksen vapauttamiseksi, sitten venyttely - voisi nostaa nipun lujuuden yli 80 GPa:aan. Tämä on jo merkittävä läpimurto, mutta hiilinanoputkien teoreettiseen rajaan (noin 200 GPa) on vielä eroa ja vielä suurempi etäisyys äärimmäisistä sovelluksista, kuten "avaruushissin kaapelista".
3. Mikä tekee hiilinanotoopeista "vahvoja"? Mitä muita ominaisuuksia niillä on vahvuuden lisäksi?
Johtopäätös:Hiilinanoputket eivät ole vain "vahvoja", vaan myös "lukeita", "kevyitä" ja "kovia" - niissä yhdistyvät suuri lujuus, suuri sitkeys, kevyt paino ja korkea kovuus. Niiden kattavat mekaaniset ominaisuudet ovat vertaansa vailla kaikkien tunnettujen materiaalien joukossa.
Monet ihmiset ajattelevat, että hiilinanoputket ovat vain "voimakkaita", mutta niiden "kaikkipuolinen kyky" on itse asiassa hämmästyttävin näkökohta.
1. Suuri sitkeys: Vahva, mutta ei hauras
Toisin kuin timantit, hiilinanoputket ovat kovia, mutta myös joustavia. Hiilinanoputkea taivutettaessa tai siihen kohdistettaessa aksiaalista painetta hiilinanoputki ei murtu, vaikka ulkoinen voima ylittäisi Eulerin lujuusrajan. Sen sijaan se käy läpi suuren-kulman taivutuksen. Kun ulkoinen voima vapautetaan, hiilinanoputki palaa alkuperäiseen muotoonsa. Sen teoreettinen maksimivenymä voi olla 20 %.
2. Korkea kovuus: Verrattavissa timanttiin
Hiilinanoputkien kovuus on verrattavissa timantin kovuuden. Tämä tarkoittaa, että ne voivat osoittaa erittäin suurta kulutuskestävyyttä naarmuuntumistesteissä samalla kun ne kestävät vetomuodonmuutoksia - "kovan ja sitkeän" yhdistelmän, joka on erittäin harvinainen.
3. Ultra-kevyt Tiheys: 1/6 teräksen tiheydestä
Hiilinanoputkien tiheys on vain 1,3-2,0 g/cm³, mikä on jopa alumiinia kevyempää. Tämä antaa niille erittäin korkean "ominaislujuuden" - kantokyvyn painoyksikköä kohti.
| Suorituskyvyn ulottuvuus | Hiilinanoputkien suorituskyky | Vertailumateriaali |
|---|---|---|
| Vahvuus | 50-200 GPa | 100 kertaa teräkseen verrattuna |
| Kovuus | Voidaan venyttää ja taivuttaa | Timantti: murtuu vasaralla |
| Kovuus | Verrattavissa timanttiin | Diamond Mohsin kovuus 10 |
| Tiheys | 1,3-2,0 g/cm³ | 1/6 teräksestä |
| Kuvasuhde | Yli 1000:1 | Teknikuiduille vähintään 20:1 |
4. Tieteiskirjallisuudesta todellisuuteen: Kuka ajaa tätä "voimavallankumousta"?
Johtopäätös:Kiinalaiset tiedemiehet ja yritykset tekevät yhteistyötä - yliopistot, kuten Tsinghua, ovat murtamassa läpi "super-pitkien" ja "super-vahvojen" hiilinanoputkien valmistuksessa, kun taas Shandong Tanfeng New Materialin kaltaiset yritykset edistävät kaupallista sovellutustaan.
Kiinalaiset tiimit ovat maailman kärjessä matkalla laboratoriosta hiilinanoputkien teollistumiseen.
Tieteellisen tutkimuksen raja: läpimurtoja Tsinghuan yliopistossa
Vuonna 2018 he julkaisivat paperinLuonnon nanoteknologiaraportoivat hiilinanoputkinippuja, joiden vetolujuus ylittää 80 GPa.
Vuonna 2020 he julkaisivat paperinTiedeosoittavat kokeellisesti, että hiilinanoputkia voidaan jatkuvasti venyttää satoja miljoonia kertoja murtumatta.
Nämä saavutukset ovat luoneet vankan materiaaliperustan hiilinanoputkien tekniselle sovellukselle.
Teollinen sovellus: Shandongin Tanfengin uuden materiaalin asettelu
Hiilinanoputkien "supervoiman" muuttaminen todellisiksi tuotteiksi edellyttää, että yritykset hallitsevat korkealaatuisten-hiilinanoputkien laajamittaisen tuotantotekniikan-. Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. on yksi tämän alan toimijoista.
Tanfeng New Materialin päätuotteita ovat yksi-seinämäiset hiilinanoputket, moni-seinämäiset hiilinanoputket, pii-hiilianodimateriaalit ja johtavat tahnat. Sen ydinosaamista ovat:
| Tanfeng uuden materiaalin etu | Tietty sisältö |
|---|---|
| Valmisteluprosessi | Masters chemical vapor deposition (CVD); purity can reach >99.5% |
| Tuotematriisi | Täysi kattavuus yksi-seinämäisille, kaksiseinäisille-ja moniseinäisille{2}}putkille |
| Kohdemarkkinat | Seitsemän pääsuuntaa, mukaan lukien ilmailu, rautatieliikenne, tuulivoima ja uudet energiaajoneuvot |
| Sovellusmenetelmä | Komposiittimateriaalien lujiteaineena, joka tarjoaa erittäin{0}}lujia ja kevyitä ratkaisuja |
Ilmailualalla hiilinanoputkia voidaan käyttää kevyiden rungon rakennekomponenttien valmistukseen.
Rautatieliikenteessä niitä voidaan käyttää ajoneuvon painon vähentämiseen turvallisuuden säilyttäen.
Tuulivoimassa niitä voidaan käyttää jättimäisten terien väsymiskestävyyden parantamiseen - nämä ovat kaikki hiilinanoputkien "100 kertaa terästä vahvemman" ominaisuuden sovelluksia.
Yhteenveto: Hiilinanonauhan "vahvuus" on sekä tosiasia että suunta
Hiilinanoputket ovat todellakin "100 kertaa vahvempia kuin teräs" - tämä on yksimielisyys materiaalitieteen alalla, jota tukevat vankat teoreettiset ja kokeelliset tiedot. Tätä päätelmää tukevat keskeiset tosiasiat ovat:
| Taso | Keskeiset kohdat |
|---|---|
| Teoreettinen | Täydellisen hiilinanoputken vetolujuus voi olla jopa 200 GPa, yli 100 kertaa teräksen tiheys ja vain 1/6 teräksen tiheydestä |
| Kokeellinen | Tsinghuan yliopiston tiimi on valmistanut makroskooppisia hiilinanoputkinippuja, joiden vetolujuus ylittää 80 GPa |
| Teollistuminen | Yritykset, kuten Shandong Tanfeng New Material, mainostavat erittäin{0}}puhtaita hiilinanoputkia korkean{1}}tehokkaille markkinoille, kuten ilmailu- ja uudet energiaajoneuvot. |
Tämä "vahvuus" heijastuu kuitenkin tällä hetkellä pääasiassa yksittäisten nanoputkien tasolla. Makroskooppinen skaalaus on edelleen maailmanlaajuinen tekninen haaste. Valmistettaessa makroskooppisia materiaaleja hiilinanoputkista, joilla on erinomaiset mekaaniset ominaisuudet, vetolujuus on usein paljon pienempi kuin yksittäisen hiilinanoputken. Ongelmien, kuten "putkien välisen liukumisen", "rakenteellisten virheiden" ja "jäännösjännityksen" ratkaiseminen on juuri se suunta, johon tutkijat ja yritykset pyrkivät yhdessä.
"The Three{0}}Body Problem" -elokuvan "nano lentävästä terästä" tutkijoiden suunnittelemaan "avaruushissiin" ja nykypäivän ilmailun keventämiseen - hiilinanoputket siirtyvät askel askeleelta hämmästyttävästä datapisteestä "100 kertaa terästä vahvempi" kohti teknistä todellisuutta "todella 100 kertaa vahvempi kuin teräs".