Kumpi on "kovempaa", hiilinanoputket (CNT) vai timantti? Vastaus riippuu siitä, painotatko sitä. Mohsin kovuuden suhteen nämä kaksi ovat vertailukelpoisia - hiilinanoputkien kovuus on verrattavissa timantin kovuuden kanssa. Vickersin kovuuden suhteen luonnolliset hiilinanoputket (185,1 HV) ovat paljon pienempiä kuin timantit (luokkaa 10 000 HV). Mutta ihme tapahtuu, kun hiilinanoputkia kylmäpuristetaan: ne voivat muodostaa ultrakovan faasin, jonka bulkkimoduuli on 447 GPa, ja kovuusarvo nousee jyrkästi alkuperäisestä 185,1 HV:sta 241 GPa:iin (24 100 HV), mikä on 4 kertaa raakatimantin (noin 60 GPa) arvoa. Tämä tarkoittaa: normaaleissa olosuhteissa timantti on kovempaa; korkeapainekäsittelyn jälkeen hiilinanoputket voivat ylittää timantin ja tulla "ultrakovien materiaalien kuninkaaksi". Shandong Tanfeng New Material tarjoaa korkean-puhtausasteen moni-seinämäisiä/yksiseinäisiä-hiilinanoputkia, jotka toimivat ihanteellisena raaka-aineena näin tehokkaalle-tutkimukselle.
1. Määritä ensin standardi: kaksi "kovuuden" tyyppiä, kaksi vastausta
Johtopäätös:Kumpi on "kovempaa", hiilinanoputket vai timantti? Se riippuu siitä, minkä tyyppistä kovuutta mittaat. - Mohs-kovuus, Vickers-kovuus ja bulkkimoduuli ultra-korkean paineen vaihemuunnoksen jälkeen antavat täysin erilaisia vastauksia.
Termillä "kovuus" materiaalitieteessä on vähintään kolme merkitystä. Erilaiset mittausmenetelmät ja erilaiset olosuhteet antavat täysin erilaiset johtopäätökset:
| Kovuuden tyyppi | Mittausmenetelmä | Tyypillinen timanttiarvo | Hiilinanoputken tyypillinen arvo |
|---|---|---|---|
| Mohsin kovuus | Raaputa mineraaleja toisiaan vasten | 10 (korkein) | Verrattavissa timanttiin |
| Vickersin kovuus (normaali tila) | Timantti sisennys painuu sisään | Suuruusluokkaa 10 000 HV (noin 100 GPa) | 185,1 HV (komposiittimateriaali) |
| Vickers-kovuus (korkea{0}}painevaihe) | Mitattu kylmäpuristuksen jälkeen | Noin 100-150 GPa | 241 GPa (nanotwinned timanttikimput, jotka on valmistettu CNT:istä) |
| Bulkkimoduuli | Puristuskestävyys | Noin 440-442 GPa | Kylmäpuristettu vaihe 447 GPa |
Keskeinen ero on:Hiilinanoputkien mitattu kovuusarvo luonnollisessa tilassaan on suhteellisen alhainen (etenkin komposiiteissa), mutta kun ne altistetaan äärimmäiselle puristukselle, ne muuttuvat ultrakovaksi faasiksi, joka on timanttia kovempaa.
Huomautus: Hiilinanoputkikomposiittimateriaalin (kuten CNT/2024-alumiiniseoksen) Vickers-kovuus on noin 185 HV. Tämä arvo heijastaa komposiitin kokonaiskovuutta, ei itse hiilinanoputkien kovuutta. Yksittäisten hiilinanoputkien kovuutta tutkitaan pääasiassa ultra-korkean paineen faasimuunnosten alalla.
2. Normaalitilan välienselvittely: Mohs Hardness Tie, Vickers Hardness Diamond voittaa
Johtopäätös:"Normaaleissa" olosuhteissa (normaali paine, huoneen lämpötila), joita kohtaamme jokapäiväisessä elämässä, timantti on ehdoton kovuuden kuningas. Hiilinanoputkien kovuussuorituskyky riippuu pääasiassa komposiittimatriisista.
2.1 Mohsin kovuus: kaula ja kaula
"Keskivuoroisen naarmuuntumisen" näkökulmasta hiilinanoputkien kovuus on "verrattavissa" timantin koviin.
Hiilinanoputket koostuvat hiiliatomeista, jotka on yhdistetty sp²-kovalenttisilla sidoksilla muodostaen kuusi-jäsenisen rengasrakenteen, kun taas timantti koostuu sp³-kovalenttisten sidosten kolmiulotteisesta kehyksestä. Molemmat ovat hiili-hiilisidoksia - yksi stabiilimpia kemiallisia sidoksia luonnossa. Siksi toisiaan raaputtaessa kummallakaan ei ole selvää etua toiseen nähden.
Maallikon termein:Timantti voi naarmuttaa lasia, ja hiilinanoputket voivat myös naarmuttaa lasia - tässä ulottuvuudessa, jotka yhdistävät toisiinsa.
2.2 Vickers Kovuus: Timantti hallitsee
Vickersin kovuus mitataan painamalla timanttisyvennys materiaalin pintaan ja mittaamalla painauma syvyys. Tässä testissä tavanomaiset hiilinanoputket ovat paljon huonompia kuin timantit:
| Materiaali | Vickersin kovuus |
|---|---|
| Timantti | Noin 100 GPa magnitudi (10 000 HV) |
| Hiilinanoputki/alumiiniseoskomposiitti | Maksimi noin 185,1 HV kiinteän liuoksen + vanhentamiskäsittelyn jälkeen |
Ero on noin 50-kertainen.
Mutta tässä on keskeinen kohta: 185 HV mittaa "hiilinanoputki + alumiiniseos" koko - tutkimus, joka todella heijastaa itse hiilinanoputkien kovuutta, suoritetaan käyttämällä toista "ultra-korkeapaineista" järjestelmää laboratoriossa.
3. "Muunnan" hetki: Kohdista painetta hiilinanoputkiin, ne tulevat kovemmiksi kuin timantit
Johtopäätös:Kun hiilinanoputket kylmäpuristetaan yli noin 75 GPa:n (750 000 ilmakehän) paineeseen, ne muuttuvat uudeksi ultrakovaksi hiilifaasiksi, jonka bulkkimoduuli ylittää timantin.
Tämä on hiilinanoputkien todellinen "valttikortti".
3.1 Kylmäpakkauskoe: 75 GPa laukaisee vaiheen siirtymisen
Vuonna 2004 Zhongwu Wangin johtama ryhmä Arizonan yliopistosta julkaisi merkittävän tutkimuksenPNAS. He asettivat moniseinäisiä hiilinanoputkia timanttialasinkennoon ja paineistivat ne noin 100 GPa:iin (noin miljoona ilmakehää). He havaitsivat, että noin 75 GPa:lla hiilinanoputket muuttuivat täysin uudeksi kuusikulmainen hiilifaasi.
Keskeiset tiedot:
| Parametri | Arvo |
|---|---|
| Bulkkimoduuli | 447 GPa (K′=4 kiinteä), ylittää timantin noin 440-442 GPa |
| Tiheys | 3,6±0,2 g/cm³, verrattavissa timanttiin |
| Palautettavuus | Tämä faasi säilyi ympäröivässä ympäristössä paineen vapautumisen jälkeen |
Bulkkimoduuli on materiaalin "puristuskestävyyden" indikaattori - mitä korkeampi bulkkimoduuli, sitä vaikeampaa materiaalia on puristaa paineen alaisena. Hiilinanoputkien korkeapaineinen-vaihe ylittää timantin tässä indikaattorissa.
3.2 Nanotwinned Diamond -paketit: ennätys-241 GPa
Vuonna 2021 Yanshanin yliopiston professori Zhao Zhishengin ja professori Xu Bo:n johtama tutkimusryhmä julkaisi tutkimuksenPNAS. Käyttämällä korkean -seinämäisen hiilinanoputkikalvon esiasteena he syntetisoivat timantteja ensisijaisesti suunnatuilla nanoparikimpuilla korkean -paineen korkean{3}} lämpötilan (HPHT) käsittelyn avulla.
Hämmästyttävimmät tulokset:
| Parametri | Arvo |
|---|---|
| Knoop-kovuus | Jopa 241 GPa, yli 20 % korkeampi kuin edellinen maailmanennätys |
Mitä 241 GPa tarkoittaa? Raakatimantin (luonnontimantin) Knoop-kovuus on tyypillisesti välillä 60-100 GPa. Tämä tarkoittaa, että hiilinanoputkista muunnettu "nanotwind bundle -timantti" on 2-4 kertaa kovempi kuin tavallinen timantti.
Kokeessa havaittiin myös, että tällä materiaalilla on merkittävää mekaanista anisotropiaa: kovuus vaihtelee nanoparisoitujen nippujen suunnasta riippuen, ja suurin kovuus saavutetaan, kun sisennys on kohtisuorassa kaksoisnippuihin nähden.
4. "Teoreettinen katto": kolmiulotteiset kovalenttiset hiilinanoputket-
Johtopäätös:Teoreettiset laskelmat ennustavat, että tiettyjen kolmiulotteisten kovalenttisten hiilinanoputkien polymeerien Vickers-kovuus voi nousta yli 40 GPa:n, jääden kuutiometrisen boorinitridin ja timantin väliin.
Kokeellisen synteesin lisäksi tutkijat ovat käyttäneet ensimmäisiä-periaatelaskelmia ennustaakseen ultrakovia hiilinanoputkipolymeerejä, joita ei ole vielä syntetisoitu.
| Rakenteen nimi | Vickersin kovuus | Bändin ominaisuudet |
|---|---|---|
| CNP-oC36 | 40,4 GPa | Epäsuora kaistavälipuolijohde (1,29 eV) |
| CNP{0}}oC40 | 37,1 GPa | Epäsuora kaistavälipuolijohde (0,67 eV) |
These structures can be considered as three-dimensional covalent crosslinked networks of carbon nanotubes with different chiralities. Their Vickers hardness has already entered the "ultrahard material" range (>40 GPa:ta pidetään yleensä ultrakovien materiaalien kynnysarvona).
Vaikka nämä ennusteet ovat toistaiseksi vielä teoreettisessa vaiheessa, ne viittaavat siihen, että hiilinanoputkien mahdollisuus muuttua kolmiulotteisiksi ultrakoviksi rakenteiksi ylittää huomattavasti nykyisen ymmärryksen.
5. Yksi ymmärrettävä taulukko: kumpi on "kovempaa"?
| Testi kunto / tila | Timantti | Hiilinanoputki | Voittaja |
|---|---|---|---|
| Mohsin kovuus (naarmu) | 10 | Verrattavissa timanttiin | Solmio |
| Normaalitilan Vickers-kovuus | ~100 GPa | 185 HV (komposiittimateriaali) | Timantti |
| Bulkkimoduuli kylmäpuristuksen jälkeen | ~440 GPa | 447 GPa | Hiilinanoputki |
| Korkean-paineen vaiheen Vickers-kovuus | ~100 GPa | 241 GPa | Hiilinanoputki |
Lopullinen vastaus:
Normaaleissa olosuhteissa:Timantti on "kovempaa". Normaalitilatesteissä timantin Vickers-kovuus ylittää huomattavasti hiilinanoputkikomposiittimateriaalien kovuuden.
Paineen alla:Hiilinanoputket ovat "kovempia". Kun hiilinanoputket puristetaan kokoon yli 75 GPa:n paineessa, ne muuttuvat ultrakovaksi materiaaliksi, joka on timanttia kovempaa -, olipa kyseessä sitten bulkkimoduuli (447 vs 440 GPa) tai Vickers-kovuus (241 vs. ~100 GPa), ne ylittävät kattavasti timantin.
Hiilinanoputket ovat kuin "sodan jumala" materiaalimaailmassa -, jotka näyttävät tavallisilta normaaleissa olosuhteissa, mutta kun niiden "kolmas silmä avautuu" (äärimmäinen paine kohdistetaan), niiden kovuus ylittää välittömästi timantin ja niistä tulee "ultrakovien materiaalien kuningas".
6. Shandong Tanfeng uusi materiaali: hiilinanoputkiteollisuuden "raaka-ainepohja"
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. tarjoaa korkean-puhtauden (suurempi tai yhtä suuri kuin 98 %) moni-seinämäistä/yksiseinämäistä-hiilinanoputkijauhetta, joka toimii ihanteellisena raaka-aineena huippututkimukseen, kuten korkean paineen -faasimuutoksiin.
Olipa kyseessä Yanshanin yliopiston ennätys{0}}241 GPa:n tutkimus tai Arizonan yliopiston 75 GPa:n kylmäpuristusfaasimuutostutkimus, molempien lähtökohtana ovat korkealaatuiset-hiilinanoputkiraaka-aineet.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. on juuri "lähdevoima" tällä tiellä "raaka-aineesta ultrakovaan".
| Edullinen ulottuvuus | Tanfeng uuden materiaalin vahvuus |
|---|---|
| Tuotematriisi | Täysi valikoima yksi{0}}seinämäisiä/kaksiseinäisiä-seinämäisiä/moni{2}}hiilinanoputkia (SWCNT/DWCNT/MWCNT) |
| Tuotteen puhtaus | Suurempi tai yhtä suuri kuin 98 %, hyvä erän sakeus |
| Valmisteluprosessit | Valokaaripurkaus, laserablaatio, kemiallinen höyrypinnoitus (CVD); useiden prosessien hallinta |
| Pääparametrit | TF-210-sarja, jne.; hiukkaskoko 5-15 μm |
| Mekaaniset ominaisuudet | Teoreettinen Youngin moduuli jopa 5 TPa; lujuus 100 kertaa teräksen lujuus; paino 1/6 teräksen painosta |
| Sovelluksen asettelu | Seitsemän strategista suuntaa, mukaan lukien uudet energiaajoneuvot, ilmailu ja junaliikenne |
Yanshanin yliopiston tiimi pystyi syntetisoimaan maailman-ennätysmateriaalin "Knoop hardness of 241 GPa" luottaen korkealaatuisiin-hiilinanoputkien esiasteisiin. Tanfeng New Material on kerännyt hiilimateriaaleja teollisuudessa 20 vuoden ajan, joten se tarjoaa vakaan ja luotettavan raaka-ainetakuun tällaiselle huippututkimukselle.
Johtopäätös: kumpi on vaikeampaa? Vastaus - Timantti normaaleissa olosuhteissa, hiilinanoputket paineen alaisena
| Osavaltio | Kovempi | Keskeiset tiedot |
|---|---|---|
| Normaali paine ja lämpötila | Timantti | Vickers-kovuus noin 100 GPa vs. CNT-komposiitti 185 HV |
| High Pressure (>75 GPa) | Hiilinanoputket | Bulkkimoduuli 447 GPa ylittää timantin; 241 GPa on neljä kertaa suurempi kuin timantti |
Keskustelu hiilinanoputkien ja timantin välisestä kovuudesta antaa lopulta vastauksen, joka on funktio - "paineen" funktio. Käytä tarpeeksi painetta hiilinanoputkiin, niin ne ylittävät timantin tullakseen "ultrakovien materiaalien kuninkaaksi".
Tämä on hiilinanoputkien perimmäinen viehätys: ne voivat olla tarpeeksi "pehmeitä" käpristyäkseen nanomittakaavan langoiksi ja "kovia" ylittääkseen timantin. Yanshanin yliopiston 241 GPa:n ennätyksestä Tanfeng New Materialin vakaaseen tuotantoon, jonka puhtausaste on vähintään 98 % hiilinanoputkia, tämä "kovuuskeskustelu" on siirtymässä akateemisesta tutkimisesta teolliseen muutokseen.