A yw nanotiwbiau carbon 100 gwaith yn gryfach na dur mewn gwirionedd? Yr ateb yw ydy. Gall cryfder tynnol damcaniaethol nanotiwbiau carbon gyrraedd 50-200 GPa, sydd 100 gwaith yn fwy na dur cyffredin o'r un cyfaint, gyda dwysedd dim ond 1/6 yn fwy na dur. Mae'r cyfuniad hwn o "bwysau ysgafn a chryfder uchel" yn tarddu o'r strwythur bond cofalent sefydlog rhwng atomau carbon. Fodd bynnag, mae cynyddu perfformiad eithriadol tiwb sengl i ddeunyddiau macrosgopig (fel ffibrau neu geblau) yn parhau i fod yn her fyd-eang: mae nanotiwbiau carbon yn fyr o ran hyd, yn dueddol o lithro, ac mae cryfderau mesuredig yn llawer is na gwerthoedd damcaniaethol. Fel gwneuthurwr, mae Shandong Tanfeng New Material yn canolbwyntio ar dechnoleg paratoi CVD i hyrwyddo cymhwyso nanotiwbiau carbon mewn meysydd perfformiad uchel fel awyrofod.
1. O Ble Daeth yr Honiad "100 Gwaith Cryfach Na Dur"?
Casgliad:Mae gan yr honiad bod nanotiwbiau carbon "100 gwaith yn gryfach na dur" sail ddamcaniaethol - gall cryfder tynnol un nanotiwb carbon perffaith gyrraedd 50-200 GPa, o'i gymharu â thua 0.4-1.5 GPa ar gyfer dur cyffredin. Y gwahaniaeth yw dau orchymyn maint.
"Gallai nanotiwb carbon sy'n deneuach na gwallt dynol godi car" - mae'r datganiad hwn yn swnio fel ffuglen wyddonol, ond yn wir mae'n seiliedig ar dystiolaeth wyddonol gadarn.
Mae'r gyfrinach i gryfder nanotiwbiau carbon yn gorwedd yn eu "sgerbwd." Mae nanotiwbiau carbon yn cynnwys atomau carbon sydd wedi'u cysylltu gan fondiau cofalent C=C, gan ffurfio strwythur crwybr hecsagonol perffaith. I dorri nanotiwb carbon, mae'n rhaid torri -bondiau carbon- hyn sy'n gofyn am egni hynod o uchel. Gall cryfder damcaniaethol nanotiwbiau carbon gyrraedd 100 gwaith yn fwy na dur, tra bod eu dwysedd yn isel iawn, dim ond 1/6 o ddur.
Edrychwn ar y gymhariaeth ddata fanwl:
| Metrig Perfformiad | Nanotiwbiau Carbon | Dur Cyffredin | Lluosog |
|---|---|---|---|
| Cryfder Tynnol | 50-200 GPa | 0.4-1.5 GPa | Tua 100 gwaith |
| Dwysedd | 1.3-2.0 g / cm³ | 7.9 g / cm³ | Oddeutu 1/6 |
| Modwlws Elastig | 1-5 TPa | 0.2 TPa | Mwy na 5 gwaith |
| Cryfder Penodol (Cryfder ÷ Dwysedd) | 25-100 GPa·cm³/g | 0.05-0.19 GPa·cm³/g | Gannoedd o weithiau |
Oherwydd y ffigurau hyn, mae nanotiwbiau carbon wedi'u galw'n "ffibr super" ac yn "wyrth o ddeunyddiau'r 21ain ganrif."
2. Pam Mae Rhai Pobl yn Dweud "Nid yw Nanotiwbiau Carbon Mor gryf â hynny"?
Casgliad:Mae'r bwlch yn gorwedd yn y cam "scaling up" - mae nanotiwbiau carbon unigol yn gryf iawn, ond pan fyddant yn cael eu cydosod i ddeunyddiau macrosgopig (fel ffibrau neu ffilmiau), mae'r cryfder yn gostwng yn sylweddol. Dyma'r dagfa dechnegol graidd bresennol.
Gan fod nanotiwbiau carbon mor gryf yn ddamcaniaethol, pam nad ydym wedi gweld "rhaffau nanotiwb carbon" yn disodli ceblau dur yn ein bywydau bob dydd? Pam nad yw'r "llafn hedfan nano" o "The Three{0}}Body Problem" wedi dod yn gynnyrch go iawn eto?
Yr ateb yw: mae bwlch peirianneg enfawr rhwng "un tiwb" a "bwndel."
Mewn gwirionedd, mae gwneud 'llafn hedfan nano' yn anodd iawn. Gyda phrosesau technegol cyfredol, mae'n anodd iawn llunio strwythur trefniant atomig perffaith ystod hir. Dim ond un nanomedr sydd gan 'lafn hedfan nano', ond mae'n dal cannoedd o fetrau. Mae hyn yn cyfateb i raff 1 milimetr o drwch sydd angen 1 miliwn metr o hyd, gyda'r gofyniad nad oes gan y rhaff unrhyw ddiffygion.
Hyd yn oed os ceir nanotiwbiau carbon hir centimetr-uwch-hir, pan gânt eu bwndelu gyda'i gilydd, mae'r cryfder tynnol yn dal yn llawer is na chryfder nanotiwb carbon unigol. Mae'r rhesymau'n amlochrog:
| Dolen dagfa | Problem Benodol | Effaith |
|---|---|---|
| Hyd Cyfyngedig | Fel arfer dim ond degau o ficrometrau i gentimetrau o hyd yw nanotiwbiau carbon unigol | Ni ellir ei ddefnyddio'n uniongyrchol fel ceblau macrosgopig |
| Llithro rhwng{0}}tiwb | Mae nanotiwbiau carbon yn cael eu cysylltu gan rymoedd van der Waals, gan eu gwneud yn dueddol o lithro dan straen | Mae cryfder yn disgyn yn sydyn |
| Diffygion Strwythurol | Mae trefniadau atomig amherffaith yn bodoli wrth baratoi mewn gwirionedd | Dod yn bwyntiau canolbwyntio straen |
| Straen Gweddilliol | Mae gwahanol diwbiau mewn bwndel yn dwyn straen anwastad; mae rhai wedi gor-tynhau, mae rhai wedi darfod-rhyddhau | Toriad cynamserol |
Darganfu tîm o Brifysgol Tsinghua y gallai'r strategaeth "ymlacio ar yr un pryd" - dorri'n gyntaf i ryddhau straen gweddilliol, yna ymestyn - gynyddu cryfder y bwndel i uwch na 80 GPa. Mae hyn eisoes yn ddatblygiad mawr, ond mae bwlch o hyd o derfyn damcaniaethol nanotiwbiau carbon (tua 200 GPa), a phellter hyd yn oed yn fwy o gymwysiadau yn y pen draw fel "cebl elevator gofod."
3. Beth Sy'n Gwneud Carbon Nanotopau "Cryf"? Pa Nodweddion Eraill Sydd Sydd ganddyn nhw Heblaw Cryfder?
Casgliad:Mae nanotiwbiau carbon nid yn unig yn "gryf," ond hefyd yn "anodd," "ysgafn," a "caled" - maent yn cyfuno cryfder uchel, caledwch uchel, pwysau ysgafn, a chaledwch uchel. Mae eu priodweddau mecanyddol cynhwysfawr yn ddigyffelyb ymhlith yr holl ddeunyddiau hysbys.
Mae llawer o bobl yn meddwl mai dim ond "cryfder uchel" yw nanotiwbiau carbon, ond eu "gallu cyffredinol" yw'r agwedd fwyaf syfrdanol mewn gwirionedd.
1. Cryfder Uchel: Cryf ond nid brau
Yn wahanol i ddiamwntau, mae nanotiwbiau carbon yn galed ond hefyd yn hyblyg. Wrth blygu nanotiwb carbon neu roi pwysau echelinol arno, hyd yn oed os yw'r grym allanol yn fwy na'r terfyn cryfder Euler, ni fydd y nanotiwb carbon yn torri. Yn lle hynny, mae'n mynd trwy blygu ongl mawr. Pan ryddheir y grym allanol, mae'r nanotiwb carbon yn dychwelyd i'w siâp gwreiddiol. Gall ei elongation uchafswm damcaniaethol gyrraedd 20%.
2. Caledwch Uchel: Yn debyg i Ddiemwnt
Mae caledwch nanotiwbiau carbon yn debyg i galedwch diemwnt. Mae hyn yn golygu y gallant arddangos ymwrthedd traul hynod o uchel mewn profion crafu tra hefyd yn gwrthsefyll anffurfiad tynnol - cyfuniad o "caled a chaled" sy'n hynod o brin.
3. Dwysedd ysgafn iawn: 1/6 o ddur
Dim ond 1.3-2.0 g/cm³ yw dwysedd nanotiwbiau carbon, sydd hyd yn oed yn ysgafnach nag alwminiwm. Mae hyn yn rhoi "cryfder penodol" - hynod o uchel iddynt y gallu i gynnal llwyth fesul uned pwysau.
| Dimensiwn Perfformiad | Perfformiad Nanotiwb Carbon | Deunydd Cymharu |
|---|---|---|
| Nerth | 50-200 GPa | 100 gwaith yn fwy na dur |
| caledwch | Gellir ei ymestyn a'i blygu | Diemwnt: yn chwalu gyda morthwyl |
| Caledwch | Yn cymharu â diemwnt | Caledwch Diamond Mohs 10 |
| Dwysedd | 1.3-2.0 g / cm³ | 1/6 hynny o ddur |
| Cymhareb Agwedd | Dros 1000:1 | Isafswm 20:1 ar gyfer ffibrau peirianneg |
4. O Ffuglen Wyddoniaeth i Realiti: Pwy Sy'n Gyrru'r "Chwyldro Cryfder" Hwn?
Casgliad:Mae gwyddonwyr a chwmnïau Tsieineaidd yn gweithio gyda'i gilydd - mae prifysgolion fel Tsinghua yn torri drwodd wrth baratoi nanotiwbiau carbon "uwch-hir" a "uwch-gryf", tra bod cwmnïau fel Shandong Tanfeng New Material yn hyrwyddo eu cymhwysiad masnachol.
Ar y llwybr o labordy i ddiwydiannu ar gyfer nanotiwbiau carbon, mae timau Tsieineaidd ar flaen y gad yn y byd.
Ffin Ymchwil Gwyddonol: Datblygiadau arloesol ym Mhrifysgol Tsinghua
Yn 2018, fe wnaethon nhw gyhoeddi papur ynNanotechnoleg Naturadrodd bwndeli nanotiwb carbon gyda chryfder tynnol yn fwy na 80 GPa.
Yn 2020, cyhoeddwyd papur ganddynt ynGwyddoniaethgan ddangos yn arbrofol y gallai nanotiwbiau carbon gael eu hymestyn yn barhaus gannoedd o filiynau o weithiau heb hollti.
Mae'r cyflawniadau hyn wedi gosod sylfaen ddeunydd gadarn ar gyfer cymhwyso nanotiwbiau carbon mewn peirianneg.
Cymhwysiad Diwydiannol: Cynllun Deunydd Newydd Shandong Tanfeng
Mae troi "uwch-gryfder" nanotiwbiau carbon yn gynhyrchion go iawn yn ei gwneud yn ofynnol i gwmnïau feistroli'r dechnoleg cynhyrchu ar raddfa fawr o nanotiwbiau carbon o ansawdd uchel. Mae Shandong Tanfeng New Material Technology Co, Ltd yn un o'r ymarferwyr yn y maes hwn.
Mae prif gynnyrch Tanfeng New Material yn cynnwys nanotiwbiau carbon sengl â wal o'u cwmpas, nanotiwbiau carbon aml-furiog, deunyddiau anod carbon silicon, a phast dargludol. Ei gymwyseddau craidd yw:
| Mantais Deunydd Newydd Tanfeng | Cynnwys Penodol |
|---|---|
| Proses Baratoi | Masters chemical vapor deposition (CVD); purity can reach >99.5% |
| Matrics Cynnyrch | Cwmpas llawn o diwbiau wal sengl, waliau dwbl ac aml-wal |
| Marchnadoedd Targed | Saith prif gyfeiriad gan gynnwys awyrofod, tramwy rheilffordd, ynni gwynt, a cherbydau ynni newydd |
| Dull Cais | Fel asiant atgyfnerthu ar gyfer deunyddiau cyfansawdd, gan ddarparu atebion cryfder uchel, ysgafn |
Yn y maes awyrofod, gellir defnyddio nanotiwbiau carbon i gynhyrchu cydrannau strwythurol ffiwslawdd ysgafn.
Wrth gludo rheilffyrdd, gellir eu defnyddio ar gyfer lleihau pwysau corff cerbydau tra'n cynnal cryfder diogelwch.
Mewn pŵer gwynt, gellir eu defnyddio ar gyfer gwella ymwrthedd blinder llafnau anferth - mae'r rhain i gyd yn gymwysiadau o eiddo "100 gwaith cryfach na dur" o nanotiwbiau carbon.
Crynodeb: Mae "Cryfder" Nanotapau Carbon yn Ffaith ac yn Gyfeiriad
Mae nanotiwbiau carbon yn wir "100 gwaith yn gryfach na dur" - mae hwn yn gonsensws ym maes gwyddor deunyddiau, wedi'i gefnogi gan ddata damcaniaethol ac arbrofol solet. Mae’r ffeithiau allweddol sy’n cefnogi’r casgliad hwn yn cynnwys:
| Lefel | Pwyntiau Allweddol |
|---|---|
| Damcaniaethol | Gall nanotiwb carbon perffaith fod â chryfder tynnol o hyd at 200 GPa, mwy na 100 gwaith yn fwy na dur, gyda dwysedd dim ond 1/6 yn fwy na dur. |
| Arbrofol | Mae tîm Prifysgol Tsinghua wedi paratoi bwndeli nanotiwb carbon macrosgopig gyda chryfder tynnol yn fwy na 80 GPa |
| diwydiannu | Mae cwmnïau fel Shandong Tanfeng New Material yn hyrwyddo nanotiwbiau carbon purdeb uchel i farchnadoedd perfformiad uchel megis awyrofod a cherbydau ynni newydd |
Fodd bynnag, ar hyn o bryd mae'r "cryfder" hwn yn cael ei adlewyrchu'n bennaf ar lefel nanotiwb unigol. Mae graddio macrosgopig yn parhau i fod yn her dechnegol fyd-eang. Wrth baratoi deunyddiau macrosgopig o nanotiwbiau carbon sydd â phriodweddau mecanyddol rhagorol, mae'r cryfder tynnol yn aml yn llawer is na chryfder nanotiwb carbon unigol. Datrys problemau megis "llithro tiwb rhyng-," "diffygion strwythurol," a "straen gweddilliol" yw'r union gyfeiriad y mae gwyddonwyr a chwmnïau yn gweithio tuag ato ar y cyd.
O'r "llafn hedfan nano" yn "Y Tri -Problem Corff," i'r "elevator gofod" a ragwelir gan wyddonwyr, i'r pwysau awyrofod sy'n digwydd heddiw - mae nanotiwbiau carbon yn symud gam wrth gam o'r pwynt data rhyfeddol o "100 gwaith yn gryfach na dur" tuag at realiti peirianneg "gwirioneddol 100 gwaith yn gryfach na dur."