Koks geras anglies nanovamzdelių elektrinis ir šilumos laidumas? Tikra našumo analizė, pagrįsta duomenimis
Medžiagų moksle nedaug medžiagų, kaip anglies nanovamzdeliai, žavėjo tyrėjus dešimtmečius. Šios vamzdinės struktūros, sudarytos tik iš anglies atomų ir kurių skersmuo yra tik dešimt{1}}tūkstančio žmogaus plauko skersmens, įkūnija beveik visus lūkesčius, susijusius su kitos-kartos supermedžiagomis. Pokalbių su klientais metu visada kyla vienas klausimas: koks yra anglies nanovamzdelių elektrinis ir šilumos laidumas? Šiandien mes atsakysime į šį klausimą duomenimis ir faktais.
1. Elektros laidumas: elektronai lenktyniauja „supermagistralėje“
Norint suprasti CNT elektrines charakteristikas, pirmiausia reikia įvertinti jų struktūrą. Anglies atomai jungiasi per sp² hibridizaciją-, tarp stipriausių žinomų cheminių ryšių. Esant tokiai konfigūracijai, elektronai gali greitai judėti vamzdžio sienele praktiškai be jokių kliūčių – reiškinys, žinomas kaip balistinis elektronų pernešimas.
1.1 Įspūdingi skaičiai: dešimt tūkstančių kartų daugiau nei varis
Tiek teoriniai, tiek eksperimentiniai rezultatai yra stulbinantys: tam tikromis kryptimis CNT gali parodyti elektrinį laidumądešimt tūkstančių kartų didesnis už varį. Kambario temperatūroje SWCNT elektrinis laidumas gali siekti net 10³ S/cm. Ką tai reiškia? Jei įprasti laidai yra kaip nelygūs kaimo keliai, kuriuose elektronai sunkiai juda, CNT yra kaip aštuonių eismo juostų greitkeliai, leidžiantys netrukdomą elektronų srautą.
Kembridžo universitete atlikta meta-analizė išnagrinėjo 1 304 duomenų taškus iš 266 recenzuotų straipsnių. Išvados parodė, kad legiruoti, išlyginti keli -sienelių CNT (FWCNT) yra geriausiai-veikianti kategorija, o rūgštiniai-susukti pluoštai pasižymi ypač puikiu elektros laidumu. Nors makroskopinių CNT sąrankų elektrinis laidumas dar nevisiškai prilygsta vario laidumui (šiuo metu maždaug šeštadalis vario), atsižvelgiant į tai, kad CNT turi tik dalį plieno tankio, jų savitasis laidumas (laidumo{11}}ir tankio santykis) jau turi didelių pranašumų.
1.2 Kodėl CNT yra labai laidūs?
Paaiškinimas slypi kvantinėje mechanikoje. Įprastuose laidininkuose judėdami elektronai nuolat susiduria, sukurdami pasipriešinimą. CNT dėl itin mažų matmenų ir tobulos struktūros elektronai gali keliauti „balistiškai“ beveik nesiskirdami šilumos. C-C jungčių sp² hibridizacija leidžia elektronams CNT paviršiuje judėti greičiu, artėjančiu 1/300 šviesos greičio, o elektronų judrumas siekia 20 000 cm²/(V·s).
Be to, priklausomai nuo jų chiralumo, CNT gali turėti metalinį arba puslaidininkinį elgesį. Ši derinama charakteristika atveria plačias galimybes juos pritaikyti elektroniniuose įrenginiuose. 2013 m. Stanfordo universitetas sėkmingai sukūrė centrinio procesoriaus prototipą, pagamintą tik iš CNT. Nors tuo metu jo veikimo dažnis buvo tik 1 kHz, jis įrodė šio metodo pagrįstumą.
2. Šilumos laidumas: pranoksta deimantą
Jei dėl elektros laidumo CNT labai patrauklūs elektronikai, jų šiluminės charakteristikos sujaudino šilumos valdymo ekspertus.
2.1 Teorinė riba: 5800 W/(m·K)
Teorinės prognozės rodo, kad CNT gali turėti didesnį šilumos laidumą nei deimantas, todėl jie gali tapti labiausiai šilumai laidžia medžiaga pasaulyje. Kokie konkretūs skaičiai? SWCNT gali pasiekti šilumos laidumo koeficientą5800 W/(m·K)o MWCNT pasiekia apie 3000 W/(m·K). Palyginimui, deimanto -geriausio natūraliai pasitaikančio šilumos laidininko- šilumos laidumas yra maždaug 2200 W/(m·K). Kitaip tariant, CNT gali praleisti šilumą daugiau nei tris kartus geriau nei deimantas.
2.2 Nuo teorijos iki praktikos
Žinoma, atskiro CNT šilumos laidumo matavimas yra labai sudėtingas. Ankstyvieji atskirų MWCNT matavimai davė maždaug 3000 W/(m·K) vertes, atitinkančias teorines prognozes.
Svarbus dalykas, kurį reikia paaiškinti, yra tai, kad kai CNT surenkami į makroskopines medžiagas, tokias kaip plėvelės ar pluoštai, bendras šilumos laidumas žymiai sumažėja. Priežastis paprasta: vamzdžių-į-kontaktai ir tuštumos medžiagoje trukdo šilumos srautui. Pavyzdžiui, kai SWCNT suspaudžiami į masinį lakštą, išmatuotas kambario temperatūros šilumos laidumas yra tik apie 35 W/(m·K). Tai nereiškia, kad patys CNT veikia prastai; veikiau pabrėžiama, kad nanoskalės išskirtinių savybių perkėlimas į makroskopinius mazgus išlieka pagrindiniu komercializavimo iššūkiu.
2.3 Šilumos laidumo mechanizmas: fononų vaidmuo
Šilumos laidumą CNT pirmiausia valdo fononai. Tyrimai rodo, kad vidutinis laisvas fononų kelias CNT yra maždaug 0,5–1,5 μm. Sp² struktūra palengvina fonono transportavimą, suteikdama CNT išskirtines šilumines savybes. Ši efektyvi šilumos išsklaidymo galimybė buvo pritaikyta praktiškai. JAV nacionalinio standartų ir technologijų instituto (NIST) mokslininkai netgi sukūrė MWCNT{8}}pagrįstą dangą, kuri sumažina poliuretano putų degumą 35 % dėl greito CNT šilumos išsklaidymo ir apsauginio anglies sluoksnio susidarymo esant dideliam karščiui.
3. Ką šios savybės gali padaryti praktiškai?
Įspūdingi teoriniai duomenys galiausiai turi virsti praktiniais pritaikymais. CNT kaip laidžių priedų naudojimas ličio{1}}jonų akumuliatoriuose yra gerai žinomas pavyzdys.
3.1 Laidus tinklas ličio-jonų baterijose
Ličio{0}}jonų baterijų katodinėse medžiagose maždaug 1,5 % CNT įkrova gali pasiekti tokį patį poveikį kaip 3 % įprastos suodžių. Dar svarbiau, kad CNT sukuria atrijų{0}}dimensijų laidus tinklas. Vienmatės CNT kartu su aktyviosiomis dalelėmis sudaro 3D tinklą, kuris efektyviai pagerina elektronų transportavimą tarp aktyviosios medžiagos ir srovės kolektoriaus. Pavyzdžiui, naudojant ličio mangano oksido (LiMn₂O4) medžiagą, pridėjus MWCNT, po 20 ciklų talpa buvo išlaikyta 99 %, o grynos medžiagos – tik 90 %.
Ličio kobalto oksido (LiCoO₂) sistemų našumas yra toks pat įspūdingas. Esant 2C greičiui, LiCoO₂ / MWCNT elementų talpa yra minimali, o ląstelės, kuriose yra suodžių arba anglies pluoštų, po 20 ciklų praranda atitinkamai 10% ir 30%. Priežastis aiški: CNT suformuotas laidus tinklas palengvina įkrovos perdavimą ir sumažina varžą.
3.2 Ne tik ličio{1}}jonų baterijos
Be baterijų, CNT skverbiasi į daugybę kitų sričių:
Oro erdvė: CNT plėvelė, sukurta MIT, gali šildyti ir kietinti kompozitines medžiagas, sunaudodama tik 1 % energijos, reikalingos tradiciniams autoklavams ir gamindama panašaus stiprumo komponentus.
Elektronika: CNT{0}}pagrįsti tranzistoriai yra mažesni ir laidesni, todėl gali būti naudojami siliciui.
Energijos kaupimas ir šilumos valdymas: Sparčiai atsiranda naujų pritaikymų superkondensatoriuose, šiluminės sąsajos medžiagose ir kitose srityse.
4. Shandong Tanfeng komercializavimo procese
Aptarę teorinius duomenis ir pažangiausias{0}} programas, grįžkime prie praktinės realybės. Kad ir kokia puiki būtų medžiaga, jei jos negalima pagaminti dideliu mastu arba patikimai tiekti, tai lieka pramonės iliuzija.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd.yra reikšmingas šalies CNT komercializavimo proceso dalyvis. „Shandong Tanfeng“, kaip į technologijas -orientuota įmonė, skirta CNT tyrimams ir plėtrai, gamybai ir pardavimui, „Shandong Tanfeng“ produktų portfelį sudaro MWCNT milteliai, SWCNT milteliai, CNT laidžios pastos, CNT laidus pagrindinis mišinys ir silicio{2}}anglies anodo medžiagos.
Bendrovė turi daugiau nei dešimt aktyvių patentų, susijusių su CNT, silicio{0}}anglies anodo medžiagomis ir išmaniosios įrangos gamyba. Šios patentuotos technologijos užtikrina techninį patikimumą nuo laboratorijos kūrimo iki masinės gamybos. Šiuo metu Shandong Tanfeng produktai yra plačiai naudojami septyniuose pagrindiniuose sektoriuose: naujos energijos transporto priemonės, pažangūs polimerų kompozitai, elastomerai, aviacija, geležinkelių transportas, vėjo energijos gamyba ir vandenilio energijos kaupimas.
CNT milteliams Shandong Tanfeng sukūrė keletą rūšių, įskaitant TF-210, TF-300, TF-400 ir TF-500, kurių grynumas didesnis arba lygus 99%, o ilgis svyruoja nuo 5 iki 15 μm, atitinkančių įvairių klientų proceso reikalavimus. Nesvarbu, ar reikia MWCNT su dideliu kraštinių santykiu, ar SWCNT, kad būtų pasiektas maksimalus našumas, yra tinkamų sprendimų.
Skirtingai nuo tiekėjų, kurie siūlo tik miltelius, „Shandong Tanfeng“ taip pat tiekia CNT laidus pastas, padedančias tolesniems klientams išvengti proceso tyrinėjimo, kuris paprastai reikalingas dispersijai. Tai ypač vertinga ličio-jonų baterijų gamintojams, nes tolygiai paskirstyti CNT į srutas tebėra pripažintas techninis iššūkis pramonėje. Naudodamas savo-vidaus sukurtą dispersijos technologiją, „Shandong Tanfeng“ užtikrina pastovią partijos kokybę, leidžiančią klientams tikrai „naudoti iš karto“.
5. Realistiška perspektyva: tarp spektaklio ir tikrovės
Kaip medžiagų mokslininkai ir inžinieriai, turime žiūrėti ir į žvaigždes, ir į žemę. CNT elektrinis ir šilumos laidumas iš tikrųjų yra teorinės „lubos“, tačiau praktikoje reikia pripažinti keletą faktų:
Pirma, nanoskalės savybės neprilygsta makroskopinėms savybėms.Atskiro CNT šilumos laidumas gali būti 5800 W/(m·K), tačiau iš CNT pagaminta makroskopinė plėvelė gali pasiekti tik kelias dešimtis. Taip yra ne dėl pačių CNT trūkumo, o dėl vamzdžio -vamzdžio kontaktų ir ertmių makroskopiniuose mazguose, dėl kurių atsiranda didelė šiluminė varža.
Antra, dispersija išlieka nuolatiniu iššūkiu.CNT turi didelius paviršiaus plotus ir stiprias van der Waals jėgas, todėl jie yra linkę į aglomeraciją. Be tinkamos dispersijos neįmanoma realizuoti net didžiausio elektros laidumo. Iš anksto išsklaidytos pastos, kurias siūlo Shandong Tanfeng, yra skirtos būtent šiam skausmo taškui pašalinti.
Trečia, medžiagos pasirinkimas turi atitikti programą.Laidžių priedų reikalavimai skiriasi ličio geležies fosfato (LFP) ir nikelio -kobalto-mangano (NCM) baterijoms, taip pat silicio-anglies anodams ir grafito anodams. Įprastų energijos-tipo elementų atveju MWCNT siūlo geriausią ekonomiškumą{5}}. Greito-įkrovimo ar silicio-anodo sistemoms gali prireikti SWCNT. „Shandong Tanfeng“ kelių{10}klasių produktų matrica sukurta taip, kad klientai galėtų lanksčiai rinktis pagal savo poreikius.
Prieš keletą metų pramonės parodoje inžinierius laikė CNT pavyzdį ir manęs paklausė: "Šios medžiagos duomenys atrodo tokie įspūdingi. Kodėl su ja negalime pasiekti idealių rezultatų?" Tuo metu aš atsakiau: "Medžiagos savybės ir gaminio eksploatacinės savybės yra du skirtingi dalykai. Pirmasis priklauso nuo būdingų galimybių, antrasis - nuo įgūdžių."
Tokio požiūrio laikausi ir šiandien. Nekyla jokių abejonių dėl CNT savybių,{1}}jie geriau praleidžia elektrą nei varis ir šilumą geriau nei deimantas. Tačiau norint paversti šias būdingas galimybes į stabilius, patikimus produktus, reikia, kad tokios įmonės kaip Shandong Tanfeng{3}}patentuotų technologijų, gamybos patirties ir sukauptos taikymo patirties-nuolat „pajėgumus“ paverstų „įgūdžiais“.
Jei ieškote patikimo CNT miltelių ar laidžių pastų tiekėjo arba norite ištirti, kaip CNT gali būti naudojami jūsų gaminiuose, susisiekite su Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. Pakalbėkime apie tai, kaip ši „super medžiaga“ gali suteikti jūsų gaminiams jėgų.