Hiilinanoputket ovat kevyimpiä tunnettuja materiaaleja, joiden tiheys on vain 1,3{10}}2,1 g/cm³, paljon pienempi kuin teräksen (7,9 g/cm³) ja alumiinin (2,7 g/cm³). Tämä tarkoittaa, että samalla tilavuudella hiilinanoputkien paino on vain 1/6 teräksen ja 1/2 alumiinin painosta. Vielä hämmästyttävämpää on, että vaikka hiilinanoputket ovat kevyempiä kuin alumiini, niiden vetolujuus on 100 kertaa teräksen vetolujuus - yhdistelmä "kevyt mutta vahva", joka on luonnossa erittäin harvinainen. Hiilinanoputkikomposiiteilla on jo saavutettu 40 % painonpudotus ja 20-25 % parannus polttoainetehokkuudessa lento- ja autoteollisuudessa. Shandong Tanfeng New Material edistää tämän "kevyt kuin höyhen, vahva kuin teräs" -supermateriaalin teollistumista.
1. Kuinka kevyitä hiilinanoputket ovat? Numerosarja kertoo sinulle
Johtopäätös:Hiilinanoputkien tiheys on noin 1,3-2,1 g/cm³, mikä on kevyempää kuin alumiini ja vain 1/6 teräksen tiheydestä.
Katsotaanpa ensin kovia tietoja. Yhdysvaltain energiaministeriön alaisen laboratorion akateemisen kirjallisuuden mukaan hiilinanoputkikomposiittien (CNT) tyypillinen tiheys on 1,3 g/cm³. Myös kotimaiset tuotetiedot vahvistavat tämän suuruusluokan - joidenkin kaupallisten tuotteiden todellinen tiheys on noin 2 g/cm³, ja hankaustiheys on vain 0,18 g/cm³. Yhteenvetona voidaan todeta, että hiilinanoputkijauheen näennäinen tiheys on noin 1,3-2,1 g/cm³.
Mitä tämä "keveys" tarkoittaa? Verrataanpa sitä korkean suorituskyvyn{0}}metalleihin, jotka tunnemme jokapäiväisessä elämässä:
| Materiaali | Tiheys (g/cm³) | Hiilinanoputket vs. tämä materiaali |
|---|---|---|
| Materiaalina hiilinanoputki | 1.3-2.1 | --Perustaso-- |
| Alumiini (alumiiniseos) | 2.7 | CNT:t ovat noin 30–50 % kevyempiä |
| Titaani (titaaniseos) | 4.5 | CNT:t ovat noin 56–71 % kevyempiä |
| Teräs | 7.9 | CNT:t ovat noin 70–80 % kevyempiä, eli samalla tilavuudella CNT:n paino on vain 1/6 - 1/4 teräksen painosta. |
Antaakseni intuitiivisen esimerkin: tavallisen auton pyörän navan, jos se on valmistettu hiilinanoputkikomposiittimateriaalista, sen paino saattaa pudota yli 20 jinistä (noin 10 kg) 5-6 jiniin (noin 2,5-3 kg). Voit helposti nostaa sen yhdellä kädellä.
2. Miksi hiilinanoputket ovat niin kevyitä? Salaisuus piilee heidän "nanomittakaavan hahmossaan"
Johtopäätös:Hiilinanoputkien ultrakevyt ominaisuus on peräisin niiden ainutlaatuisesta mikrorakenteesta - hiiliatomit on järjestetty kuusikulmaiseksi hunajakennoksi muodostaen ympyrän, joka luo onton "nanomittakaavan putken", jonka sisäpuoli on lähes täysin tyhjä.
Hiilinanoputki on pohjimmiltaan "putki" ja nanomittakaavassa oleva putki.
Sen mikrorakenne on seuraava: hiiliatomit liittyvät toisiinsa kovalenttisilla sidoksilla muodostaen vakaan kuusi-jäsenisen rengasgrafeenilevyn, jonka jälkeen tämä grafeenilevy "rullataan" sylinteriksi. Tämä sylinteri on ontto - sisällä ei ole atomeja, vain ilmaa tai tyhjiötä. Yhden kerroksen pyörittäminen luo yksi-seinämäisen hiilinanoputken (SWCNT); useiden kerrosten rullaaminen luo moniseinämäisen hiilinanoputken (MWCNT), jonka kerrosten välinen etäisyys on noin 0,34 nm.
Avain materiaalin painon mittaamiseen: Tiheys=Massa / tilavuus
Metallit ovat täynnä atomeja, tiiviisti pakattuina, joten ne ovat raskaita. Hiilinanoputken kuori koostuu hiiliatomeista (hiiliatomit ovat paljon kevyempiä kuin rauta- tai alumiiniatomit), sisäpuoli on tyhjä ja kuori on äärimmäisen ohut -, joten materiaalia on hyvin vähän tilavuusyksikköä kohti, joten se on luonnostaan kevyttä.
Keittiön analogiaa käyttäen:Metallinen lasta on kiinteä ja painava; ontto juomapilli on kevyt, koska sen pinnassa on vain ohut seinämä. Hiilinanoputki on molekyyliversio "ontosta juomapillistä".
3. Todella hämmästyttävä asia ei ole "keveys", vaan "kevyt mutta vahva" yhdistelmä
Johtopäätös:Hiilinanoputkien ominaislujuus on jopa 500 MPa·cm³/g, mikä ylittää huomattavasti perinteisten metallien, kuten teräksen, alumiinin ja titaanin, ominaislujuuden, joten se on yksi suurimmista tunnetuista teknisistä materiaaleista.
Jos se olisi vain "kevyt", se ei olisi erityinen - vaahtomuovi on myös erittäin kevyttä, mutta se murskaa helposti. Hiilinanoputkista todella hämmästyttäviä tekee se, että vaikka ne ovat kevyitä kuin ilma, ne ovat myös uskomattoman vahvoja.
Kuten analysoimme yksityiskohtaisesti edellisessä artikkelissa: hiilinanoputkien vetolujuus voi olla 50-200 GPa, mikä on 100 kertaa teräksen vetolujuus. Kun nämä tiedot kerrotaan "keveyden" dimensiolla, saadaan mittari, joka saa insinöörit hulluksi - ominaisvoimakkuus (lujuus ÷ tiheys).
Katso tämä joukko vertailutietoja:
| Materiaali | Tiheys (g/cm³) | Vetolujuus (MPa) | Ominaislujuus (MPa·cm³/g) |
|---|---|---|---|
| Hiilinanoputkikomposiitti | 1.3 | ~650 | 500 |
| Alumiini (7075-T6) | 2.7 | 572 | 212 |
| Titaani (Ti-6Al-4V) | 4.5 | 950 | 211 |
| Teräs (A36) | 7.9 | 400 | 51 |
Mitä suurempi ominaislujuus, sitä suurempi on tietyn painon{0}}kantokyky. Hiilinanoputkien (500) ominaislujuus on lähes 10 kertaa teräksen (51) ominaislujuus - samanpainoisista hiilinanoputkista valmistettu köysi kestää lähes 10 kertaa teräsvaijerin kuormituksen.
Tästä syystä tutkijat kuvittelevat hiilinanoputkien käyttämisen avaruushissin rakentamiseen -, koska vain materiaali, joka on "kevyt kuin höyhen, vahva kuin teräs" voisi mahdollisesti luoda kaapelin, joka ulottuu Maasta avaruuteen.
4. "Keveyden" tuoma teollinen vallankumous: 40 % painonpudotus, 25 % polttoaineen säästö
Johtopäätös:Hiilinanoputkikomposiiteilla on jo saavutettu jopa 40 %:n painonpudotusvaikutuksia ilmailu- ja autoteollisuudessa, mikä tarkoittaa suoraan 20–25 %:n parannusta polttoainetehokkuudessa.
"Keveys" ei ole vain numeropeli; se muuttaa konkreettisesti teollisuusmaisemaa.
Kansainvälisessä akateemisessa lehdessä julkaistun katsausartikkelin mukaanMateriaalitiede ja -tekniikka: R, hiilinanoputkikomposiitit ovat osoittaneet suurta potentiaalia lento- ja autoteollisuudessa: rakenneosien painoa voidaan vähentää jopa 40 %, samalla kun mekaaniset ominaisuudet säilyvät tai jopa paranevat.
Katsotaanpa todellisia{0}}sovellusesimerkkejä:
| Sovellustapaus | Hiilinanoputkikomposiitin rooli | Todellinen vaikutus |
|---|---|---|
| Boeing 787 Dreamliner | Rungon rakenneosat | 20-25 % parannus polttoainetehokkuudessa |
| BMW i3 sähköauto | Runkopaneelit | 30 % painonpudotus |
| KIST Carbon Nanotube Motor (Korea) | Moottorin käämityskelat | Noin 25 % pienempi moottorin paino |
Erityisesti Boeing 787:n tapaus on mainitsemisen arvoinen. Tämä "Dreamliner" käyttää laajasti kehittyneitä komposiittimateriaaleja (mukaan lukien hiilinanoputkivahvistetut materiaalit), mikä ei ainoastaan auta merkittävästi painoa, vaan myös mahdollistaa tämän suuren matkustajakoneen polttoainesäästön yli 20 % vastaaviin malleihin verrattuna. Korean tiede- ja teknologiainstituutti (KIST) meni jopa askeleen pidemmälle ja rakensi suoraan moottorin ilman metallikäämiä - korvaamalla kuparilangan hiilinanoputkilangalla, jolloin moottorin paino oli vain -viidennes kuparimoottorin painosta.
Lentokoneelle:Polttoaineen säästö=lentää kauemmaksi + alhaisemmat lippuhinnat + pienemmät hiilidioksidipäästöt.
Sähköautolle:Painonpudotus=pidempi kantama + nopeampi kiihtyvyys + pienempi akku.
Keveys on kultaa; keveys on kilpailukykyä.
5. Shandong Tanfeng Uusi materiaali: "Keveyden" muuttaminen ostettaviksi tuotteiksi
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. valmistaa massa-ja tuotteistaa hiilinanoputkien "ultra-kevyitä" ominaisuuksia, ja se palvelee korkealuokkaisia-valmistusaloja, kuten ilmailua ja uusia energiaajoneuvoja.
Hiilinanoputkien muuttaminen "ihmemateriaalista" laboratoriossa teollisuusraaka-aineeksi, jota insinöörit voivat tilata, vaatii yrityksiä, jotka todella hallitsevat laajamittaisen{0}}tuotantoteknologian.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. on juuri tällainen yritys.
Mitä se tekee?
Yritys keskittyy moniseinäisten hiilinanoputkien (MWCNT), yksi-seinämäisten hiilinanoputkien (SWCNT), funktionalisoitujen hiilinanoputkien, johtavien tahnojen ja esi-dispergoitujen tuotteiden T&K-toimintaan ja tuotantoon. Tuotteen puhtaus on suurempi tai yhtä suuri kuin 97,5 %, Fe-, Co- ja Ni-katalyyttien jäännösepäpuhtaudet ovat pienempiä tai yhtä suuria kuin 0,5 ppm, putken halkaisijajakauma on kapea ja erän -to{7}}sakeuden CV on<5%.
Sen ydinosaamiset:
| Edullinen ulottuvuus | Tietty sisältö |
|---|---|
| Ydinprosessi | Kaasu-vaiheen (CVD) tuotanto; putken halkaisija säädettävissä, erät vakaat |
| Tuotematriisi | Täysi kattavuus yksi{0}}seinämäinen/moniseinäinen-; muokattava funktionalisointi (-COOH, -OH jne.) |
| Sovellusohjeet | Seitsemän suurta alaa, mukaan lukien uudet energiaajoneuvot, ilmailu, rautatieliikenne, tuulivoima ja vetyenergian varastointi |
| Ainutlaatuinen ominaisuus | Koko ketju itsenäisesti ohjattavissa katalyytistä lopputuotteeseen |
| Todistetut tulokset | Tarjoaa johtavaa tahnaa johtaville kotimaisille akkuyrityksille, jotka ovat jo saavuttaneet 30 %:n pienenemisen elektrodilevyn resistiivisyydessä |
Tanfeng New Material tarjoaa myös PA12-alustan moni-seinämäisiä hiilinanoputkien perusseoksia eurooppalaisille autonosien toimittajille, jotka täyttävät polttoainelinjojen tiukat anti-staattiset vaatimukset. Kun BMW:n ja Boeingin kaltaiset yritykset tarvitsevat tehokkaita-kevyitä materiaaleja, hiilinanoputket ovat muuttumassa kaukaisesta laboratoriokonseptista konkreettisiksi tuotteiksi kiinalaisten yritysten, kuten Tanfengin, hyllyillä.
Yhteenveto: Mitä hiilinanoputkien "keveys" tarkoittaa?
| Perspektiivi | Ydinpäätelmä |
|---|---|
| Data | Tiheys 1,3-2,1 g/cm³, vain 1/6 teräksen tiheydestä, kevyempi kuin alumiini |
| Periaate | "Ontto nanomittakaavan putki" -rakenne, ohut{0}}seinämäinen ja ontto sisäpuoli, luonnollisen kevyt |
| Suorituskyky | Ominaislujuus 500 MPa·cm³/g, lähes 10 kertaa teräksen, kevyt mutta vahva |
| Teollisuus | Vähentää painoa 40 % ja polttoainetta 25 %; on jo vahvistettu Boeing 787:ssä ja BMW i3:ssa |
| Todellisuus | Yritykset, kuten Shandong Tanfeng New Material, tuottavat sitä massa{0}}teolliseen käyttöön |
Hiilinanoputkien "keveys" ei ole koskaan ollut pelkkä pieni{0}}tiheysluku. Kyse on suurimman kuorman kantamisesta pienimmällä massalla, vahvimman suorituskyvyn saavuttamisesta vähimmällä materiaalilla ja suurimman tehokkuuden luomisesta kevyimmillä komponenteilla.
Kun Shandong Tanfeng New Material jatkuvasti "puhaltaa" tätä tehtaalta peräisin olevaa mustaa jauhetta -, joka on ilmaa kevyempää (kiertetyssä tilassa) mutta kuitenkin terästä vahvempaa -, se osoittaa, että materiaalimaailman "kevyt aikakausi" on todella saapunut.