Pa mor Dda yw Dargludedd Trydanol a Thermol Nanotiwbiau Carbon? Dadansoddiad Perfformiad Gwir yn Seiliedig ar Ddata
Mewn gwyddor deunyddiau, ychydig o sylweddau sydd wedi swyno ymchwilwyr ers degawdau fel nanotiwbiau carbon. Mae'r adeileddau tiwbaidd hyn, sy'n cynnwys atomau carbon yn gyfan gwbl ac sy'n mesur un deg mil yn unig o ddiamedr blew dynol, yn ymgorffori bron pob un o'r disgwyliadau ar gyfer uwch-ddeunyddiau'r genhedlaeth nesaf. Yn ystod sgyrsiau gyda chwsmeriaid, mae un cwestiwn yn codi yn ddieithriad: pa mor dda yw dargludedd trydanol a thermol nanotiwbiau carbon? Heddiw, byddwn yn ateb y cwestiwn hwnnw gyda data a ffeithiau.
1. Dargludedd Trydanol: Electronau'n Rasio i Lawr "Superhighway"
Er mwyn deall perfformiad trydanol CNTs, yn gyntaf rhaid gwerthfawrogi eu strwythur. Mae atomau carbon yn bondio trwy hybrideiddio sp²-ymysg y bondiau cemegol cryfaf y gwyddys amdanynt. Yn y cyfluniad hwn, gall electronau symud yn gyflym ar hyd wal y tiwb heb fawr ddim rhwystr, ffenomen a elwir yn gludiant electronau balistig.
1.1 Niferoedd Trawiadol: Deng Mil o Weithiau Mwy o Gopr
Mae canlyniadau damcaniaethol ac arbrofol yn drawiadol: ar hyd cyfarwyddiadau penodol, gall CNTs arddangos dargludedd trydanolddeg mil o weithiau yn uwch na chopr. Ar dymheredd ystafell, gall dargludedd trydanol SWCNTs gyrraedd mor uchel â 10³ S / cm. Beth mae hyn yn ei olygu? Os yw gwifrau confensiynol yn debyg i ffyrdd gwledig anwastad lle mae electronau'n cael trafferth symud, mae CNTs fel uwchffyrdd wyth lôn sy'n caniatáu llif electronau heb rwystr.
Fe wnaeth meta-ddadansoddiad a gynhaliwyd ym Mhrifysgol Caergrawnt archwilio 1,304 o bwyntiau data o 266 o bapurau a adolygwyd gan gymheiriaid. Roedd y canfyddiadau'n dangos mai ychydig o CNTs â waliau wedi'u dopio, wedi'u halinio (FWCNTs) sy'n cynrychioli'r categori sy'n perfformio orau, gyda ffibrau wedi'u nyddu ag asid yn dangos dargludedd trydanol arbennig o eithriadol. Er nad yw dargludedd trydanol cydosodiadau CNT macrosgopig wedi cyfateb yn llawn i gopr (tua-chweched rhan o gopr ar hyn o bryd), o ystyried mai dim ond ffracsiwn o ddwysedd dur sydd gan CNTs, mae eu dargludedd penodol (dargludedd-i{1}cymhareb dwysedd)) eisoes yn dangos manteision sylweddol.
1.2 Pam Mae CNTs mor ddargludol?
Mae'r esboniad yn gorwedd mewn mecaneg cwantwm. Mewn dargludyddion confensiynol, mae electronau'n gwrthdaro'n barhaus wrth iddynt symud, gan gynhyrchu gwrthiant. Mewn CNTs, oherwydd eu dimensiynau hynod fach a'u strwythur perffaith, gall electronau deithio'n "balistig" heb fawr ddim cynhyrchu gwres. Mae croesrywiad sp² bondiau C–C yn galluogi electronau ar yr arwyneb CNT i symud ar fuanedd sy'n agosáu at 1/300 o fuanedd golau, gyda symudedd electronau yn cyrraedd 20,000 cm²/(V·s).
Ar ben hynny, yn dibynnu ar eu naturoldeb, gall CNTs arddangos ymddygiad metelaidd neu led-ddargludol. Mae'r nodwedd tunadwy hon yn agor posibiliadau enfawr ar gyfer eu cymhwyso mewn dyfeisiau electronig. Yn 2013, llwyddodd Prifysgol Stanford i ddatblygu uned brosesu ganolog brototeip a adeiladwyd yn gyfan gwbl o CNTs. Er mai dim ond 1 kHz oedd ei amledd gweithredu ar y pryd, profodd ymarferoldeb y dull hwn.
2. Dargludedd Thermol: Rhagori ar Ddiemwnt
Os yw dargludedd trydanol wedi gwneud CNTs yn hynod ddeniadol ar gyfer electroneg, mae eu perfformiad thermol wedi cyffroi arbenigwyr mewn rheolaeth thermol.
2.1 Terfyn Damcaniaethol: 5800 W/(m·K)
Mae rhagfynegiadau damcaniaethol yn dangos bod CNTs yn debygol o feddu ar ddargludedd thermol uwch na diemwnt, gan eu gwneud o bosibl y deunydd mwyaf dargludol thermol yn y byd. Beth yw'r niferoedd penodol? Gall SWCNTs gyrraedd dargludedd thermol o5800 W/(m·K), tra bod MWCNTs yn cyflawni tua 3000 W/(m·K). Er mwyn cymharu, mae gan ddiemwnt-y dargludydd thermol gorau sy'n digwydd yn naturiol-ddargludedd thermol o tua 2200 W/(m·K). Mewn geiriau eraill, gall CNTs ddargludo gwres fwy na thair gwaith yn well na diemwnt.
2.2 O Theori i Ymarfer
Wrth gwrs, mae mesur dargludedd thermol CNT unigol yn hynod heriol. Rhoddodd mesuriadau cynnar ar MWCNTs unigol werthoedd o tua 3000 W/(m·K), yn gyson â rhagfynegiadau damcaniaethol.
Pwynt pwysig i'w egluro yw, pan fydd CNTs yn cael eu cydosod i ddeunyddiau macrosgopig fel ffilmiau neu ffibrau, mae'r dargludedd thermol cyffredinol yn lleihau'n sylweddol. Mae'r rheswm yn syml: mae cysylltiadau tiwb i'r tiwb a gwagleoedd o fewn y deunydd yn rhwystro llif gwres. Er enghraifft, pan fydd SWCNTs yn cael eu pwyso i mewn i ddalen swmp, dim ond tua 35 W/(m·K) yw dargludedd tymheredd yr ystafell fesuredig -. Nid yw hyn yn golygu bod CNTs eu hunain yn perfformio'n wael; yn hytrach, mae'n amlygu bod trosglwyddo eiddo eithriadol nanoscale i gynulliadau macrosgopig yn parhau i fod yn her allweddol ar gyfer masnacheiddio.
2.3 Mecanwaith Dargludo Thermol: Rôl Ffonau
Mae dargludiad thermol mewn CNTs yn cael ei reoli'n bennaf gan ffonons. Mae ymchwil yn dangos bod llwybr rhad ac am ddim cymedrig ffonnau mewn CNTs tua 0.5–1.5 μm. Mae'r strwythur sp² yn hwyluso cludo ffonon, gan roi CNTs â'u priodweddau thermol rhagorol. Mae'r gallu afradu gwres effeithlon hwn wedi dod o hyd i gymwysiadau ymarferol. Mae ymchwilwyr yn Sefydliad Cenedlaethol Safonau a Thechnoleg yr Unol Daleithiau (NIST) hyd yn oed wedi datblygu cotio seiliedig ar MWCNT sy'n lleihau fflamadwyedd ewyn polywrethan 35%, diolch i afradu gwres cyflym CNTs a ffurfio haen torgoch amddiffynnol o dan wres eithafol.
3. Beth Gall yr Eiddo Hyn ei Wneud yn Ymarferol?
Yn y pen draw, rhaid i ddata damcaniaethol trawiadol droi'n gymwysiadau ymarferol. Mae'r defnydd o CNTs fel ychwanegion dargludol mewn batris ïon lithiwm yn enghraifft sydd wedi'i hen sefydlu.
3.1 Rhwydwaith dargludol mewn -Batris Ion Lithiwm
Mewn deunyddiau catod batri lithiwm-, gall llwythiad CNT o tua 1.5% gyflawni'r un effaith â 3% o garbon du confensiynol. Yn bwysicach fyth, mae CNTs yn creu arhwydwaith dargludol tri dimensiwn. Mae'r CNTs un dimensiwn, ynghyd â gronynnau gweithredol, yn ffurfio rhwydwaith 3D sy'n gwella trafnidiaeth electronau yn effeithiol rhwng y deunydd actif a'r casglwr cerrynt. Er enghraifft, gyda deunydd lithiwm manganîs ocsid (LiMn₂O₄), arweiniodd ychwanegu MWCNTs at gadw cynhwysedd o 99% ar ôl 20 cylch, o'i gymharu â dim ond 90% ar gyfer y deunydd pur.
Mae'r perfformiad mewn systemau lithiwm cobalt ocsid (LiCoO₂) yr un mor drawiadol. Ar gyfradd 2C, mae celloedd LiCoO₂/MWCNT yn dangos ychydig iawn o bylu cynhwysedd, tra bod celloedd sy'n cynnwys ffibrau carbon du neu garbon yn dangos colledion cynhwysedd o 10% a 30%, yn y drefn honno, ar ôl 20 cylch. Mae'r rheswm yn syml: mae'r rhwydwaith dargludol a ffurfiwyd gan CNTs yn hwyluso trosglwyddo tâl ac yn lleihau rhwystriant.
3.2 Y Tu Hwnt i Batris Lithiwm-Ion
Y tu hwnt i fatris, mae CNTs yn treiddio i nifer o feysydd eraill:
Awyrofod: Gall ffilm CNT a ddatblygwyd yn MIT wresogi a gwella deunyddiau cyfansawdd, gan ddefnyddio dim ond 1% o'r ynni sydd ei angen ar awtoclafau traddodiadol wrth gynhyrchu cydrannau o gryfder tebyg.
Electroneg: Mae transistorau CNT yn llai ac yn fwy dargludol, gyda'r potensial i olynu silicon.
Storio Ynni a Rheoli Thermol: Mae cymwysiadau newydd mewn supercapacitors, deunyddiau rhyngwyneb thermol, a meysydd eraill yn dod i'r amlwg yn gyflym.
4. Shandong Tanfeng yn y Broses Masnacheiddio
Ar ôl trafod data damcaniaethol a chymwysiadau arloesol, gadewch inni ddychwelyd i realiti ymarferol. Ni waeth pa mor ardderchog yw deunydd, os na ellir ei gynhyrchu ar raddfa na'i gyflenwi'n ddibynadwy, mae'n dal i fod yn rhith i ddiwydiant.
Shandong Tanfeng newydd deunydd technoleg Co., Ltd.yn gyfranogwr sylweddol yn y broses fasnacheiddio CNT domestig. Fel menter sy'n canolbwyntio ar dechnoleg sy'n ymroddedig i ymchwil a datblygu, cynhyrchu a gwerthu CNTs, mae portffolio cynnyrch Shandong Tanfeng yn cynnwys powdr MWCNT, powdr SWCNT, past dargludol CNT, prif swp dargludol CNT, a-defnyddiau anod carbon silicon.
Mae gan y cwmni fwy na deg patent gweithredol sy'n ymwneud â CNTs, deunyddiau anod carbon silicon, a gweithgynhyrchu offer deallus. Mae'r technolegau patent hyn yn sicrhau dibynadwyedd technegol o ddatblygiad labordy i gynhyrchu màs. Ar hyn o bryd, mae cynhyrchion Shandong Tanfeng yn cael eu defnyddio'n helaeth mewn saith sector mawr: cerbydau ynni newydd, cyfansoddion polymer uwch, elastomers, awyrofod, cludo rheilffyrdd, cynhyrchu ynni gwynt, a storio ynni hydrogen.
Ar gyfer powdrau CNT, mae Shandong Tanfeng wedi datblygu graddau lluosog, gan gynnwys TF-210, TF-300, TF-400, a TF-500, gyda phurdeb Yn fwy na neu'n hafal i 99% a hyd yn amrywio o 5 i 15 μm, gan fodloni gofynion proses cwsmeriaid amrywiol. P'un a oes angen MWCNTs gyda chymarebau agwedd uchel neu SWCNTs ar gyfer perfformiad yn y pen draw, mae atebion addas ar gael.
Yn wahanol i gyflenwyr sy'n cynnig powdr yn unig, mae Shandong Tanfeng hefyd yn darparu pastau dargludol CNT, gan helpu cwsmeriaid i lawr yr afon i osgoi'r archwiliad proses sydd ei angen fel arfer ar gyfer gwasgariad. Mae hyn yn arbennig o werthfawr i weithgynhyrchwyr batri ion lithiwm, gan fod gwasgaru CNTs yn unffurf i slyri yn parhau i fod yn her dechnegol gydnabyddedig yn y diwydiant. Gan ddefnyddio ei dechnoleg wasgaru a ddatblygwyd yn fewnol, mae Shandong Tanfeng yn sicrhau ansawdd swp cyson, gan ganiatáu i gwsmeriaid "ddefnyddio'n syth o'r bag."
5. Safbwynt Realistig: Rhwng Perfformiad a Realiti
Fel gwyddonwyr deunyddiau a pheirianwyr, rhaid inni gadw ein llygaid ar y sêr a'r ddaear. Mae dargludedd trydanol a thermol CNT yn wir yn “nenfydau” damcaniaethol, ond mae angen cydnabod sawl ffaith mewn cymwysiadau ymarferol:
Yn gyntaf, nid yw eiddo nanoscale yn cyfateb i eiddo macrosgopig.Gall fod gan CNT unigol ddargludedd thermol o 5800 W/(m·K), ond gall ffilm macrosgopig wedi'i gwneud o CNTs gyflawni ychydig ddegau yn unig. Nid yw hyn oherwydd unrhyw ddiffyg yn y CNTs eu hunain, ond yn hytrach i gysylltiadau'r tiwb a'r bylchau mewn cydosodiadau macrosgopig sy'n cyflwyno gwrthiant thermol sylweddol.
Yn ail, mae gwasgariad yn parhau i fod yn her barhaus.Mae gan CNTs arwynebeddau uchel a grymoedd van der Waals cryf, sy'n eu gwneud yn dueddol o gael crynhoad. Heb wasgariad priodol, ni ellir gwireddu hyd yn oed y dargludedd trydanol uchaf. Bwriad y pastau gwasgaredig blaenorol a gynigir gan Shandong Tanfeng yw mynd i'r afael â'r boen hon.
Yn drydydd, rhaid i ddewis deunydd gyd-fynd â'r cais.Mae'r gofynion ar gyfer ychwanegion dargludol yn amrywio rhwng batris ffosffad haearn lithiwm (LFP) a batris nicel-cobalt-manganîs (NCM), yn ogystal â rhwng anodau carbon silicon ac anodau graffit. Ar gyfer-celloedd math ynni confensiynol, MWCNTs sy'n cynnig yr effeithiolrwydd cost gorau. Ar gyfer systemau gwefru cyflym neu anod silicon, efallai y bydd angen SWCNTs. Mae matrics cynnyrch aml-radd Shandong Tanfeng wedi'i gynllunio i roi hyblygrwydd i gwsmeriaid ddewis yn ôl eu hanghenion.
Sawl blwyddyn yn ôl, mewn arddangosfa diwydiant, cynhaliodd peiriannydd sampl CNT a gofynnodd i mi, "Mae'r data ar gyfer y deunydd hwn yn edrych mor drawiadol. Pam na allwn gyflawni canlyniadau delfrydol ag ef?" Ar y pryd, atebais: "Mae priodweddau defnydd a pherfformiad cynnyrch yn ddau beth gwahanol. Mae'r cyntaf yn dibynnu ar allu cynhenid; mae'r olaf yn dibynnu ar sgil."
Rwy’n dal i arddel y farn honno heddiw. Mae gallu cynhenid CNTs heb amheuaeth-maent yn dargludo trydan yn well na chopr a gwres yn well na diemwnt. Ond mae trawsnewid y gallu cynhenid hwnnw yn gynhyrchion sefydlog, dibynadwy yn ei gwneud yn ofynnol i gwmnïau fel Shandong Tanfeng-sydd â thechnolegau patent, profiad cynhyrchu, ac arbenigedd cymhwyso cronedig-i drosi "gallu" yn "sgil" yn raddol.
Os ydych chi'n chwilio am gyflenwr dibynadwy o bowdrau CNT neu bast dargludol, neu'n dymuno archwilio sut y gellir defnyddio CNTs yn eich cynhyrchion, cysylltwch â Shandong Tanfeng New Material Technology Co, Ltd. Gadewch inni drafod sut y gall y "super material" hwn rymuso'ch cynhyrchion.