Išsamus anglies nanovamzdelių įvadas
Anglies nanovamzdeliai (CNT) yra vienos{0}}dimensijos nanomačio vamzdinės nanomedžiagos, susidarančios grafito anglies atomams kaip pagrindinis vienetas. Nuo pat atradimo 1991 m., pasikliaudami savo unikalia mikrostruktūra ir puikiu visapusišku našumu, jie greitai tapo nanomedžiagų srities mokslinių tyrimų tašku ir pritaikymo šerdimi, plačiai įsiskverbia į daugelį strateginių naujų pramonės šakų, tokių kaip aukščiausios klasės gamyba, nauja energija, tiksli elektronika ir kosmosas. Jie žinomi kaip „potencialiausia funkcionali medžiaga XXI amžiuje“.
I. Pagrindinė anglies nanovamzdelių klasifikacija
Pagal mikrostruktūros skirtumus anglies nanovamzdelius daugiausia galima suskirstyti į tris kategorijas. Skirtingų kategorijų gaminiai turi skirtingą našumą ir yra tinkami įvairiems scenarijams. Šiuo metu pramonėje plačiausiai naudojami kelių -sienių anglies nanovamzdeliai ir kelių-sienių anglies nanovamzdeliai, o ypač smulkūs anglies nanovamzdeliai, kaip aukščiausios-segmentinės kategorijos, orientuoti į didelio-tikslumo scenarijų poreikius.
1. Vienos-sienos anglies nanovamzdeliai (SWCNT): susidaro suvyniojus vieną grafito lakštų sluoksnį, kurio skersmuo paprastai yra 0,4-2 nm. Jie turi taisyklingą struktūrą, itin mažą defektų procentą, geriausią elektros ir šilumos laidumą. Tačiau juos sunku paruošti, lengva aglomeruoti ir brangiai kainuoja. Jie daugiausia naudojami aukščiausios klasės moksliniams tyrimams, tikslioms elektroninėms lustoms ir kitiems scenarijams, kuriems taikomi ekstremalūs veikimo reikalavimai.
2. Daugiasieniai anglies nanovamzdeliai (MWCNT): suformuoti suvyniojus kelis sluoksnius koncentrinių grafito lakštų, kurių skersmuo yra 2-100 nm, o ilgis iki mikrometro lygio. Jie turi brandžią paruošimo technologiją, nedidelę kainą ir puikų mechaninį stabilumą, tačiau jų elektrinis laidumas ir sklaida yra šiek tiek prastesni nei vienasienių ir kelių sienelių anglies nanovamzdelių. Jie dažniausiai naudojami vidutinės ir -aukštos klasės laidumo ir sutvirtinimo scenarijuose, pvz., naudojant įprastas laidžias dangas ir modifikuojant plastiką.
3. Keletas-sienių anglies nanovamzdelių (FWCNT): tarp vienpusių-sienių ir daugiasienių-sienių, suformuotų suvyniojus 2-5 sluoksnius grafito lakštų, kurių skersmuo 2-8 nm. Jie pasižymi dideliu vienasienių anglies nanovamzdelių elektriniu laidumu ir daugiasienių anglies nanovamzdelių mechaniniu stabilumu ir geresne sklaida. Šiuo metu jie yra geriausias pasirinkimas, subalansuojantis našumą ir kainą. Itin smulkūs anglies nanovamzdeliai (skersmuo mažesnis arba lygus 10 nm), kaip aukščiausios klasės kelių sienelių anglies nanovamzdelių segmentas, dar labiau pagerina sklaidą ir funkcinį pritaikomumą ir yra tinkami tikslesniam panaudojimo scenarijui.
II. Pagrindinės anglies nanovamzdelių charakteristikos
Puikus anglies nanovamzdelių veikimas atsiranda dėl jų unikalios vamzdinės grafito struktūros. Jie turi pranašumų už tradicines medžiagas daugeliu aspektų, tokių kaip mechanika, elektra, termologija ir chemija, o tai taip pat yra pagrindinė priežastis, kodėl jie gali pakeisti tradicines medžiagas, tokias kaip laidžioji suodžiai, ir suteikti galimybę atnaujinti pramonę.
1. Elektrinės charakteristikos: anglies nanovamzdeliai turi puikų elektrinį laidumą, jų tūrinė varža yra tik 1,0 × 10⁻⁴-5,0 × 10⁻³ Ω·cm, o paviršiaus varža reguliuojama iki 1,0 × 10¹–5,0 × 102 Ω/sq² Jie turi greitą elektronų perdavimo greitį, o jų elektrinis laidumas yra daug geresnis nei tradicinių medžiagų, tokių kaip laidžioji suodžiai ir grafitas. Be to, jų atsparumo stabilumas yra stiprus, nelengvai veikiamas aplinkos veiksnių, tokių kaip temperatūra ir drėgmė, ir jie gali ilgą laiką išlaikyti aukšto efektyvumo elektros laidumą.
2. Mechaninės charakteristikos: anglies nanovamzdelių atsparumas tempimui gali siekti 40-80 GPa, tamprumo modulis yra net 1,0 × 10³–1,8 × 10³ GPa, o kietumas yra 20–40 GPa, tai yra daugiau nei 100 kartų didesnis nei plieno. Tuo pačiu metu jie turi puikų tvirtumą ir atsparumą dilimui. Pridėjus nedidelį jų kiekį (1–5%) į matricines medžiagas, tokias kaip plastikas, guma ir keramika, galima žymiai pagerinti medžiagų mechaninį stiprumą, atsparumą smūgiams ir tarnavimo laiką, kad būtų pasiektas dvigubas tikslas „lengvas + didelis našumas“.
3. Šiluminės charakteristikos: anglies nanovamzdelių ašinis šilumos laidumas gali siekti 1500-3000 W/(m·K), radialinis šilumos laidumas yra 50-100 W/(m·K), o atsparumo karščiui temperatūra siekia net 700 laipsnių (inertinių dujų aplinkoje). Jie gali išlaikyti stabilų veikimą plačiame temperatūrų diapazone nuo -100 laipsnių iki 600 laipsnių nesuirdami ar senstant. Jie pasižymi dideliu{11}}efektyviu šilumos laidumu ir puikiu atsparumu aukštai temperatūrai, tinka apdorojimui aukštoje temperatūroje ir aukščiausios klasės šilumos išsklaidymo scenarijams.
4. Cheminės ir dispersijos charakteristikos: Anglies nanovamzdeliai pasižymi puikiu cheminiu stabilumu, atsparūs atšiaurioms cheminėms aplinkoms, tokioms kaip stiprios rūgštys, stiprūs šarmai ir organiniai tirpikliai, nereaguoja su dauguma cheminių medžiagų ir pasižymi išskirtiniu atsparumu oksidacijai ir korozijai. Po profesionalaus paviršiaus modifikavimo apdorojimo jie gali veiksmingai išspręsti aglomeracijos problemą, pasiekti vienodą dispersiją vandenyje, organiniuose tirpikliuose ir įvairiose matricinėse medžiagose, nepridedant per daug dispergentų, o dispersijos stabilumas gali siekti daugiau nei 72 valandas.
5. Aplinkos charakteristikos: patys anglies nanovamzdeliai yra netoksiški, beskoniai ir nekelia pavojaus užteršti dulkėmis, atitinka tarptautinius aplinkos apsaugos ir saugos standartus. Palyginti su tradicinės laidžios suodžiu, kuri yra linkusi į dulkę ir kai kuriose yra sunkiųjų metalų priemaišų, trūkumais, jie labiau tinka aukščiausios klasės ir aplinkos apsaugos produktų poreikiams ir gali būti taikomi tiksliuose scenarijuose, susijusiuose su medicininiu naudojimu ir sąlyčiu su maistu.
III. Pagrindinės anglies nanovamzdelių taikymo sritys
Remiantis visapusiškais našumo pranašumais, anglies nanovamzdeliai palaipsniui pakeitė tradicines laidžias ir sutvirtinančias medžiagas ir tapo pagrindine pagalbine medžiaga atnaujinant įvairias aukščiausios klasės{0}}pramones. Jų taikymo scenarijai nuolat plečiasi, apimantys daugybę sričių – nuo mokslinių tyrimų iki masinės gamybos ir nuo aukščiausios klasės civilinės- iki nacionalinės gynybos ir karinės pramonės.
1. Naujas energijos laukas: kaip pagrindinė funkcinė medžiaga, ji plačiai naudojama gaminiuose, tokiuose kaip ličio baterijos, superkondensatoriai ir kuro elementai. Ličio baterijose jis gali būti naudojamas kaip laidus priedas, siekiant pagerinti įkrovimo ir iškrovimo efektyvumą, ciklo trukmę ir energijos tankį, taip išsprendžiant skausmo tašką, kad tradicinės laidžios medžiagos turi daug papildomo kiekio ir turi įtakos akumuliatoriaus energijos tankiui. Superkondensatoriuose jis gali padidinti elektros laidumą ir energijos kaupimo efektyvumą. Kuro elementuose jis gali būti naudojamas kaip katalizatoriaus nešiklis, siekiant pagerinti katalizinį aktyvumą ir stabilumą.
2. Tikslios elektronikos laukas: tinka tokiems scenarijams kaip antistatinis, elektromagnetinis ekranavimas, lusto šilumos išsklaidymo ir lanksčios elektronikos. Jis gali būti naudojamas antistatinėms dangoms ir elektromagnetinėms ekranavimo medžiagoms ruošti, elektroninių gaminių paviršiuje sumažinti statinę elektrą, pagerinti elektromagnetinio ekranavimo efektą ir užtikrinti tikslių elektroninių komponentų veikimo stabilumą. Kaip lustų šilumos išsklaidymo medžiaga, ji gali greitai eksportuoti lustų šilumą ir pailginti lustų tarnavimo laiką. Tuo pačiu metu jis gali būti naudojamas ruošiant lanksčias laidžias plėveles, lauko-transistorius ir kt., padedant plėtoti lanksčią elektronikos pramonę.
3. Išplėstinė kompozicinių medžiagų sritis: naudojama polimerinių kompozitinių medžiagų (plastikų, gumos, pluoštų), metalo matricos kompozitinių medžiagų ir keraminių matricų kompozitinių medžiagų sutvirtinimui ir modifikavimui, gerinant medžiagų mechaninį stiprumą, elektros laidumą, šilumos laidumą ir atsparumą dilimui. Jis plačiai naudojamas aviacijos ir kosmoso komponentuose, lengvosiose automobilių dalyse, aukščiausios klasės-įrangos korpusuose ir t. t., siekiant užtikrinti lengvą ir efektyvų medžiagų atnaujinimą.
4. Mokslinių tyrimų sritis: kaip pagrindinis nanomedžiagų tyrimų nešėjas, jis plačiai naudojamas universitetų ir mokslinių tyrimų institutų laboratoriniams tyrimams, įskaitant anglies nanomedžiagų veiksmingumo tyrimus, naujų funkcinių medžiagų kūrimą, elektroninių perdavimo mechanizmų tyrimus ir biomediciną (vaistų tiekimo nešiklius), teikiant pagrindinę paramą nanomokslo ir technologijų proveržiui.
5. Kiti laukai: jis gali būti naudojamas ruošiant aukščiausios klasės-laidų rašalą ir nusidėvėjimui-atsparias ir antikorozines dangas, pritaikytas prie spausdintos elektronikos poreikių ir aukštos{4}} įrangos apsaugos. Kaip aplinkos adsorbcijos medžiaga, ji gali būti naudojama sunkiųjų metalų ir teršalų adsorbcijai, padedant aplinkos valdymui. Tuo pačiu metu jis taip pat atlieka nepakeičiamą vaidmenį aukščiausios klasės-srityse, tokiose kaip nacionalinė gynyba ir karinė pramonė bei kosmoso tyrinėjimai.
IV. Anglies nanovamzdelių pramoninė plėtra ir techninė pagalba
Sparčiai atnaujinus pasaulinę aukščiausios klasės{0}pramonę, anglies nanovamzdelių paklausa rinkoje ir toliau auga, o pramonės plėtra palaipsniui keičiasi iš „laboratorinių tyrimų ir plėtros“ į „didelio masto masinę gamybą ir pritaikytą pritaikymą“. Pagrindinių technologijų proveržis ir dideli{3}}gamybos pajėgumai tapo raktu skatinant anglies nanovamzdelių populiarinimą ir pritaikymą.
Šiuo metu vietinė anglies nanovamzdelių pramonė pasiekė nepriklausomų laimėjimų, sulaužydama ilgalaikę{0}}užsienio įmonių monopoliją aukštos klasės anglies nanovamzdelių srityje. Tarp jų įmonės, turinčios visą-grandinės techninį pajėgumą, įveikė pagrindines technines problemas, tokias kaip „tiksli itin-smulkių dalelių dydžio kontrolė“, „didelė-stabilumo sklaida“ ir „didelio-masinio masto gamyba“, sudarančios visą pramoninę grandinę nuo žaliavų įsigijimo, pagrindinių procesų tyrimų ir plėtros, didelio-masto ir testavimo iki pritaikytų paslaugų.
Pavyzdžiui, Shandong TANFENG, pirmaujanti įmonė vietinių anglies nanovamzdelių srityje, pasikliaudama profesionalia tyrimų ir plėtros komanda, turinčia vidutiniškai daugiau nei 12 metų patirtį, sukaupusi daugiau nei 30 nepriklausomų išradimų patentų. Jis nepriklausomai sukūrė išskirtinius paviršiaus modifikavimo ir tikslaus valymo procesus, kurie gali tiksliai reguliuoti anglies nanovamzdelių dalelių dydį, varžą ir sklaidos charakteristikas. Ji sukūrė tarptautinio standarto išskirtinę gamybos bazę, aprūpintą visiškai automatinėmis uždarojo ciklo gamybos linijomis, kurių metinis gamybos pajėgumas yra 1 000 tonų, realizuojant išmanųjį -proceso valdymą, kad būtų užtikrintas stabilus partijos veikimas. Jis sukūrė išsamiausią profesionalų testavimo centrą pramonėje, aprūpintą visu importuotos didelio-tikslumo bandymo įrangos rinkiniu, kad būtų galima visapusiškai išbandyti 18 pagrindinių rodiklių, kad būtų užtikrinta produkto kokybė. Kartu teikiamos individualizuotos paslaugos „vienas prieš-vienas“ ir visapusiškas-procesų techninis palaikymas, kad būtų galima prisitaikyti prie suasmenintų skirtingų pramonės šakų poreikių ir skatinti anglies nanovamzdelių taikymą įvairiose srityse.
Ateityje, nuolat kartojant technologijas ir toliau optimizuojant gamybos sąnaudas, anglies nanovamzdeliai pamažu prasiskverbs į daugiau vidutinės ir -aukštos{2}} klasės scenarijus, pakeisdami tradicines medžiagas, kad būtų galima atnaujinti pramonę. Be to, tikimasi, kad besivystančiose srityse, tokiose kaip anglies lustai, biomedicina ir kosmoso tyrinėjimai, jos atvers naujas taikymo sritis ir taps pagrindine jėga, skatinančia koordinuotą nanomokslo ir technologijų plėtrą bei aukščiausios klasės gamybą.