Ar anglies nanovamzdeliai tikrai 100 kartų stipresni už plieną? Atsakymas yra taip. Teorinis anglies nanovamzdelių tempiamasis stipris gali siekti 50-200 GPa, o tai 100 kartų didesnis nei paprasto tokio paties tūrio plieno, kurio tankis tik 1/6 plieno tankio. Šis „lengvo svorio ir didelio stiprumo“ derinys atsiranda dėl stabilios kovalentinės jungties struktūros tarp anglies atomų. Tačiau išskirtinio vieno vamzdžio našumo padidinimas iki makroskopinių medžiagų (pvz., pluoštų ar kabelių) išlieka pasauliniu iššūkiu: anglies nanovamzdeliai yra trumpo ilgio, linkę slysti, o išmatuotas stiprumas yra daug mažesnis nei teorinės vertės. Kaip gamintojas, „Shandong Tanfeng New Material“ daugiausia dėmesio skiria CVD paruošimo technologijai, kad skatintų anglies nanovamzdelių taikymą didelio našumo srityse, pavyzdžiui, aviacijos pramonėje.
1. Iš kur kilo teiginys „100 kartų stipresnis už plieną“?
Išvada:Teiginys, kad anglies nanovamzdeliai yra „100 kartų stipresni už plieną“, turi teorinį pagrindą - vieno tobulo anglies nanovamzdelio atsparumas tempimui gali siekti 50–200 GPa, palyginti su maždaug 0,4–1,5 GPa paprasto plieno. Skirtumas yra dviejų dydžių eilės.
„Už žmogaus plauką plonesnis anglies nanovamzdelis galėtų pakelti automobilį“ - šis teiginys skamba kaip mokslinė fantastika, bet iš tiesų pagrįsta tvirtais moksliniais įrodymais.
Anglies nanovamzdelių stiprumo paslaptis slypi jų „skelete“. Anglies nanovamzdeliai sudaryti iš anglies atomų, sujungtų C=C kovalentiniais ryšiais, sudarydami tobulą šešiakampę korio struktūrą. Norint nutraukti anglies nanovamzdelį, šie anglies -anglies ryšiai turi būti nutraukti -, o tai reikalauja itin daug energijos. Teorinis anglies nanovamzdelių stiprumas gali siekti 100 kartų didesnį nei plieno, o jų tankis yra labai mažas, tik 1/6 plieno.
Pažvelkime į išsamų duomenų palyginimą:
| Našumo metrika | Anglies nanovamzdeliai | Įprastas plienas | Keli |
|---|---|---|---|
| Tempimo stiprumas | 50-200 GPa | 0,4-1,5 GPa | Maždaug 100 kartų |
| Tankis | 1,3-2,0 g/cm³ | 7,9 g/cm³ | Maždaug 1/6 |
| Elastinis modulis | 1-5 TPa | 0,2 TPa | Daugiau nei 5 kartus |
| Savitasis stiprumas (stiprumas ÷ tankis) | 25-100 GPa·cm³/g | 0,05-0,19 GPa·cm³/g | Šimtus kartų |
Dėl šių skaičių anglies nanovamzdeliai buvo vertinami kaip „super pluoštas“ ir „XXI amžiaus medžiagų stebuklas“.
2. Kodėl kai kurie žmonės sako, kad „anglies nanovamzdeliai nėra tokie stiprūs“?
Išvada:Atotrūkis slypi „didinimo“ žingsnyje - atskiri anglies nanovamzdeliai yra labai stiprūs, tačiau juos sumontavus į makroskopines medžiagas (pvz., pluoštus ar plėveles), stiprumas labai sumažėja. Tai dabartinė pagrindinė techninė kliūtis.
Kadangi teoriškai anglies nanovamzdeliai yra tokie stiprūs, kodėl mes nematėme, kad „anglies nanovamzdelių lynai“ pakeičia plieninius kabelius mūsų kasdieniniame gyvenime? Kodėl „nano skraidantis peilis“ iš „Trys{0}}kūno problemos“ dar netapo tikru produktu?
Atsakymas yra toks: tarp „vieno vamzdžio“ ir „ryšulio“ yra didžiulis inžinerinis atotrūkis.
Tiesą sakant, sukurti „nano skraidantį peiliuką“ yra labai sunku. Esant dabartiniams techniniams procesams, labai sunku sukurti ilgo nuotolio tobulo{1}}atominio išdėstymo struktūrą. „Skraidančios nano mentės“ skersmuo yra tik vienas nanometras, o ilgis – šimtai metrų. Tai prilygsta 1 milimetro storio virvei, kurios ilgis turi būti 1 milijonas metrų, su reikalavimu, kad lynas neturi defektų.
Net jei gaunami centimetro -ilgio super-anglies nanovamzdeliai, juos sujungus, tempiamasis stipris vis tiek yra daug mažesnis nei atskiro anglies nanovamzdelio. Priežastys yra daugialypės:
| Butelio kaklelio nuoroda | Konkreti problema | Poveikis |
|---|---|---|
| Riboto ilgio | Atskiri anglies nanovamzdeliai paprastai būna tik nuo dešimčių mikrometrų iki centimetrų ilgio | Negalima tiesiogiai naudoti kaip makroskopinių kabelių |
| Tarp-vamzdžių stumdomas | Anglies nanovamzdeliai yra sujungti van der Waals jėgomis, todėl jie gali slysti veikiami įtempių | Jėga smarkiai krenta |
| Struktūriniai defektai | Faktiškai ruošiant egzistuoja netobulos atominės struktūros | Tapkite streso koncentracijos taškais |
| Liekamasis stresas | Skirtingi ryšulio vamzdeliai patiria netolygų įtempimą; kai kurie per-priveržti, kai kurie per-atlaisvinti | Priešlaikinis lūžis |
Tsinghua universiteto komanda išsiaiškino, kad taikant „vienalaikio atsipalaidavimo“ strategiją - iš pradžių pjaunant, kad būtų pašalintas liekamasis stresas, o paskui tempiant -, pluošto stiprumas gali padidėti iki daugiau nei 80 GPa. Tai jau didelis laimėjimas, tačiau vis dar yra atotrūkis nuo teorinės anglies nanovamzdelių ribos (maždaug 200 GPa) ir dar didesnis atstumas nuo galutinių pritaikymų, tokių kaip „kosminio lifto kabelis“.
3. Kas daro anglies nanotopus „stiprius“? Kokių dar savybių jie turi, be stiprumo?
Išvada:Anglies nanovamzdeliai yra ne tik „tvirti“, bet ir „kieti“, „lengvi“ ir „kieti“ - juose dera didelis stiprumas, didelis tvirtumas, lengvas svoris ir didelis kietumas. Jų visapusiškos mechaninės savybės yra neprilygstamos tarp visų žinomų medžiagų.
Daugelis žmonių mano, kad anglies nanovamzdeliai yra tik „didelio stiprumo“, tačiau jų „visapusis gebėjimas“ iš tikrųjų yra pats nuostabiausias aspektas.
1. Didelis tvirtumas: stiprus, bet ne trapus
Skirtingai nuo deimantų, anglies nanovamzdeliai yra kieti, bet ir lankstūs. Lenkiant anglies nanovamzdelį arba veikiant jį ašiniu slėgiu, net jei išorinė jėga viršija Eulerio stiprumo ribą, anglies nanovamzdelis nesutrūks. Vietoj to jis patiria didelį-kampų lenkimą. Atleidus išorinę jėgą, anglies nanovamzdelis grįžta į pradinę formą. Jo teorinis maksimalus pailgėjimas gali siekti 20%.
2. Didelis kietumas: panašus į deimantą
Anglies nanovamzdelių kietumas yra panašus į deimantų kietumą. Tai reiškia, kad atliekant įbrėžimų bandymus jie gali būti itin atsparūs dilimui ir taip pat atlaiko tempimo deformaciją - „kieto ir kieto“ derinį, kuris yra ypač retas.
3. Ultra-lengvas tankis: 1/6 plieno tankio
Anglies nanovamzdelių tankis yra tik 1,3-2,0 g/cm³, tai yra net lengvesnis už aliuminį. Tai suteikia jiems ypač didelį „specifinį stiprumą“ - svorio vieneto laikomąją galią.
| Našumo dimensija | Anglies nanovamzdelio našumas | Palyginimo medžiaga |
|---|---|---|
| Jėga | 50-200 GPa | 100 kartų daugiau nei plieno |
| Tvirtumas | Galima tempti ir sulenkti | Deimantas: dūžta plaktuku |
| Kietumas | Palyginti su deimantu | Deimantinio Moho kietumas 10 |
| Tankis | 1,3-2,0 g/cm³ | 1/6 plieno |
| Krašto santykis | Daugiau nei 1000:1 | Mažiausiai 20:1 inžineriniams pluoštams |
4. Nuo mokslinės fantastikos iki realybės: kas vadovauja šiai „jėgos revoliucijai“?
Išvada:Kinijos mokslininkai ir įmonės bendradarbiauja - universitetai, tokie kaip Tsinghua, veržiasi į „super-ilgų“ ir „super-stiprių“ anglies nanovamzdelių kūrimą, o tokios įmonės kaip „Shandongo Tanfeng New Material“ reklamuoja jų komercinį pritaikymą.
Kelyje nuo laboratorijos iki anglies nanovamzdelių industrializacijos Kinijos komandos yra pasaulio priešakyje.
Mokslinių tyrimų riba: proveržis Tsinghua universitete
2018 m. jie paskelbė straipsnįGamtos nanotechnologijospraneša apie anglies nanovamzdelių pluoštus, kurių tempiamasis stipris viršija 80 GPa.
2020 m. jie paskelbė straipsnįMokslaseksperimentiškai įrodantis, kad anglies nanovamzdeliai gali būti nuolat ištempti šimtus milijonų kartų nesulaužant.
Šie pasiekimai padėjo tvirtą materialinį pagrindą anglies nanovamzdelių inžineriniam pritaikymui.
Pramoninis pritaikymas: Shandong Tanfeng naujos medžiagos išdėstymas
Norint, kad anglies nanovamzdelių „super stiprybė“ taptų tikrais produktais, įmonės turi įsisavinti didelio masto aukštos kokybės anglies nanovamzdelių gamybos technologiją-. Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. yra viena iš šios srities specialistų.
Pagrindiniai „Tanfeng New Material“ produktai yra vienos{0}}sienos anglies nanovamzdeliai, daugiasieniai anglies nanovamzdeliai, anglies anodo silicio- medžiagos ir laidžios pastos. Jo pagrindinės kompetencijos yra šios:
| Tanfeng naujos medžiagos pranašumas | Konkretus turinys |
|---|---|
| Paruošimo procesas | Masters chemical vapor deposition (CVD); purity can reach >99.5% |
| Produkto matrica | Visiškai aprėpia viensienius, dvisienius-ir daugiasienius{2}}vamzdžius |
| Tikslinės rinkos | Septynios pagrindinės kryptys, įskaitant kosmosą, geležinkelių tranzitą, vėjo energiją ir naujas energijos transporto priemones |
| Taikymo būdas | Kaip kompozitinių medžiagų sutvirtinanti medžiaga, teikianti didelio{0}}stiprumo ir lengvus sprendimus |
Aviacijos ir kosmoso srityje anglies nanovamzdeliai gali būti naudojami lengviems fiuzeliažo struktūriniams komponentams gaminti.
Tranzitu geležinkeliu jie gali būti naudojami transporto priemonės kūno svoriui sumažinti, išlaikant saugumą.
Vėjo energijos srityje jie gali būti naudojami didinant milžiniškų menčių atsparumą nuovargiui - tai yra anglies nanovamzdelių „100 kartų stipresnė už plieną“ savybė.
Santrauka: Anglies nanojuostos „stiprumas“ yra ir faktas, ir kryptis
Anglies nanovamzdeliai iš tiesų yra „100 kartų stipresni už plieną“ - tai yra sutarimas medžiagų mokslo srityje, paremtas tvirtais teoriniais ir eksperimentiniais duomenimis. Pagrindiniai faktai, pagrindžiantys šią išvadą, yra šie:
| Lygis | Pagrindiniai taškai |
|---|---|
| Teorinis | Tobulo anglies nanovamzdelio tempiamasis stipris gali siekti iki 200 GPa, daugiau nei 100 kartų didesnis nei plieno, o jo tankis tik 1/6 plieno tankio. |
| Eksperimentinis | Tsinghua universiteto komanda paruošė makroskopinius anglies nanovamzdelių pluoštus, kurių tempiamasis stipris viršija 80 GPa |
| Industrializacija | Tokios įmonės kaip Shandong Tanfeng New Material reklamuoja didelio{0}}grynumo anglies nanovamzdelius į didelio našumo{1}}rinkas, pvz., aviacijos ir naujų energijos transporto priemonių rinkas. |
Tačiau ši „jėga“ šiuo metu daugiausia atsispindi atskirų nanovamzdelių lygmenyje. Makroskopinis mastelio keitimas išlieka pasauliniu techniniu iššūkiu. Ruošiant makroskopines medžiagas iš anglies nanovamzdelių, pasižyminčių puikiomis mechaninėmis savybėmis, tempiamasis stipris dažnai yra daug mažesnis nei atskiro anglies nanovamzdelio. Tokių problemų kaip „vamzdžių slydimas tarp-“, „struktūriniai defektai“ ir „liekamasis įtempis“ sprendimas yra būtent ta kryptis, kuria mokslininkai ir įmonės kartu dirba.
Nuo „nano skraidančios geležtės“ filme „Trijų{0}}kūnų problema“ iki mokslininkų įsivaizduojamo „kosminio lifto“ iki šiandien vykstančio aerokosminio lengvumo - anglies nanovamzdeliai žingsnis po žingsnio juda nuo stulbinančio duomenų taško „100 kartų stipresnis už plieną“ link inžinerinės realybės „tikrai stipresnis už 10 kartų plieną“.