Pa un sy'n "anoddach," nanotiwbiau carbon (CNTs) neu ddiemwnt? Mae'r ateb yn dibynnu a ydych chi'n rhoi pwysau arno. O ran caledwch Mohs, mae'r ddau yn gymaradwy - mae caledwch nanotiwbiau carbon yn debyg i galedwch diemwnt. O ran caledwch Vickers, mae nanotiwbiau carbon cyflwr naturiol (185.1 HV) yn llawer is na diemwnt (ar orchymyn 10,000 HV). Ond mae gwyrth yn digwydd pan fydd nanotiwbiau carbon wedi'u cywasgu'n oer: gallant ffurfio cyfnod ultrahard gyda modwlws swmp o 447 GPa, gyda'r gwerth caledwch yn codi i'r entrychion o'r 185.1 HV gwreiddiol i 241 GPa (24,100 HV), sydd 4 gwaith yn fwy na diemwnt garw (tua 60 GPa). Mae hyn yn golygu: o dan amodau arferol, mae diemwnt yn galetach; ar ôl triniaeth pwysedd uchel, gall nanotiwbiau carbon ragori ar ddiemwnt i ddod yn "Frenin Deunyddiau Ultrahard." Mae Shandong Tanfeng New Material yn darparu nanotiwbiau carbon aml-wal/sengl{-burdeb uchel, gan wasanaethu fel deunydd crai delfrydol ar gyfer ymchwil perfformiad mor uchel.
1. Yn Gyntaf Diffiniwch y Safon: Dau Fath o "Caledwch," Dau Ateb
Casgliad:Pa un sy'n "anoddach," nanotiwbiau carbon neu ddiemwnt? Mae'n dibynnu ar ba fath o galedwch rydych chi'n mesur - caledwch Mohs, caledwch Vickers, a modwlws swmp ar ôl trawsnewid cyfnod gwasgedd uchel iawn yn rhoi atebion hollol wahanol.
Mae gan y term "caledwch" mewn gwyddor deunyddiau o leiaf dri ystyr. Mae gwahanol ddulliau mesur a gwahanol amodau yn rhoi casgliadau cwbl wahanol:
| Math Caledwch | Dull Mesur | Gwerth Nodweddiadol Diemwnt | Nanotiwb Carbon Gwerth Nodweddiadol |
|---|---|---|---|
| Caledwch Mohs | Crafu mwynau yn erbyn ei gilydd | 10 (uchaf) | Yn cymharu â diemwnt |
| Caledwch Vickers (Cyflwr Arferol) | Indenter diemwnt yn pwyso i mewn | Tua 10,000 HV (tua 100 GPa) | 185.1 HV (deunydd cyfansawdd) |
| Caledwch Vickers (-Cyfnod Pwysedd Uchel) | Wedi'i fesur ar ôl cywasgu oer | Tua 100-150 GPa | 241 GPa (bwndelau diemwnt nanotwin wedi'u gwneud o CNTs) |
| Modwlws Swmp | Gwrthwynebiad i gywasgu | Oddeutu 440-442 GPa | Cyfnod cywasgedig oer 447 GPa |
Y gwahaniaeth allweddol yw:Mae gwerth caledwch mesuredig nanotiwbiau carbon yn eu cyflwr naturiol yn gymharol isel (yn enwedig mewn cyfansoddion), ond unwaith y byddant yn destun cywasgiad eithafol, maent yn trawsnewid yn gyfnod uwch-galed sy'n galetach na diemwnt.
Nodyn: Mae caledwch Vickers o ddeunydd cyfansawdd nanotiwb carbon (fel aloi alwminiwm CNT/2024) tua 185 HV. Mae'r gwerth hwn yn adlewyrchu caledwch cyffredinol y cyfansawdd, nid caledwch y nanotiwbiau carbon eu hunain. Mae ymchwil ar galedwch nanotiwbiau carbon unigol yn cael ei gynnal yn bennaf ym maes trawsnewid cyfnod pwysedd uchel iawn.
2. Gornest y Wladwriaeth Normal: Tei Caledwch Mohs, Vickers Hardness Diamond yn Ennill
Casgliad:O dan amodau "normal" (pwysau arferol, tymheredd yr ystafell) yr ydym yn dod ar eu traws ym mywyd beunyddiol, diemwnt yw brenin caledwch absoliwt. Mae perfformiad caledwch nanotiwbiau carbon yn dibynnu'n bennaf ar y matrics cyfansawdd.
2.1 Caledwch Mohs: Gwddf a Gwddf
O safbwynt "crafu ar y cyd," mae caledwch nanotiwbiau carbon yn "gymharol" â diemwnt.
Mae nanotiwbiau carbon yn cynnwys atomau carbon wedi'u cysylltu gan fondiau cofalent sp² sy'n ffurfio strwythur cylch chwe aelod, tra bod diemwnt yn cynnwys fframwaith tri dimensiwn o fondiau cofalent sp³. Mae'r ddau yn bondiau carbon -carbon - un o'r bondiau cemegol mwyaf sefydlog mewn natur. Felly, wrth grafu ei gilydd, nid oes gan y naill na'r llall fantais amlwg dros y llall.
Yn nhermau lleygwr:Gall diemwnt crafu gwydr, a gall nanotiwbiau carbon hefyd grafu gwydr - ar y dimensiwn hwn, y ddau glymu.
2.2 Caledwch Vickers: Diemwnt sy'n dominyddu
Mae caledwch Vickers yn cael ei fesur trwy wasgu indenter diemwnt i'r wyneb deunydd a mesur dyfnder mewnoliad. Yn y prawf hwn, mae nanotiwbiau carbon cyflwr confensiynol yn llawer israddol i ddiemwnt:
| Deunydd | Caledwch Vickers |
|---|---|
| Diemwnt | Maint tua 100 GPa (10,000 HV) |
| Nanotiwb Carbon / Cyfansawdd Aloi Alwminiwm | Uchafswm oddeutu 185.1 HV ar ôl hydoddiant solet + triniaeth heneiddio |
Mae'r gwahaniaeth tua 50-plyg.
Ond dyma bwynt allweddol: mae 185 HV yn mesur y "nanotiwb carbon + aloi alwminiwm" - ymchwil gyfan sy'n wirioneddol adlewyrchu caledwch nanotiwbiau carbon eu hunain yn cael ei wneud gan ddefnyddio system "ultra-pwysedd uchel" arall yn y labordy.
3. Y Moment "Trawsnewid": Rhoi Pwysau ar Nanotiwbiau Carbon, Maent yn Dod yn Anos na Diemwnt
Casgliad:Pan fo nanotiwbiau carbon wedi'u cywasgu'n oer i fwy na 75 GPa (750,000 o atmosfferau), maen nhw'n trawsnewid i gyfnod carbon uwch-galed newydd gyda modwlws swmp yn fwy na diemwnt.
Dyma'r "cerdyn trwmp" go iawn o nanotiwbiau carbon.
3.1 Arbrawf Cywasgu Oer: 75 Sbardun GPa Cyfnod Pontio
Yn 2004, cyhoeddodd tîm dan arweiniad Zhongwu Wang ym Mhrifysgol Arizona astudiaeth garreg filltir ynPNAS. Fe wnaethant osod nanotiwbiau carbon aml-wal mewn cell einion diemwnt a'u gwasgu i tua 100 GPa (tua 1 miliwn o atmosfferau). Canfuwyd bod y nanotiwbiau carbon, tua 75 GPa, wedi trawsnewid yn gyfnod carbon hecsagonol cwbl newydd.
Data allweddol:
| Paramedr | Gwerth |
|---|---|
| Modwlws Swmp | 447 GPa (gyda K′=4 wedi'i osod), yn fwy na thua 440-442 GPa diemwnt |
| Dwysedd | 3.6 ± 0.2 g / cm³, yn debyg i diemwnt |
| Adennilladwyedd | Cadwyd y cam hwn yn yr amgylchedd amgylchynol ar ôl rhyddhau pwysau |
Mae modwlws swmp yn ddangosydd o "wrthiant i gywasgu" - deunydd po uchaf yw'r modwlws swmp, y mwyaf anodd yw'r deunydd i'w gywasgu dan bwysau. Mae -cyfnod gwasgedd uchel nanotiwbiau carbon yn fwy na diemwnt yn y dangosydd hwn.
3.2 Bwndeli Diemwnt Nanotwin: Record-Torri 241 GPa
Yn 2021, cyhoeddodd tîm dan arweiniad yr Athro Zhao Zhisheng a’r Athro Xu Bo ym Mhrifysgol Yanshan ymchwil ynPNAS. Gan ddefnyddio ffilmiau nanotiwb carbon aml-furiog iawn fel rhagsylweddion, fe wnaethant syntheseiddio diemwnt â bwndeli nanotwin wedi'u gogwyddo'n ffafriol trwy driniaeth tymheredd uchel (HPHT) pwysedd uchel.
Y canlyniadau mwyaf syfrdanol:
| Paramedr | Gwerth |
|---|---|
| Caledwch Knoop | Hyd at 241 GPa, mwy nag 20% yn uwch na'r record byd blaenorol |
Beth mae 241 GPa yn ei olygu? Mae caledwch Knoop diemwnt garw (diemwnt naturiol) fel arfer rhwng 60-100 GPa. Mae hyn yn golygu bod y "diemwnt bwndel nanotwinned" wedi'i drawsnewid o nanotiwbiau carbon 2-4 gwaith yn galetach na diemwnt cyffredin.
Canfu'r arbrawf hefyd fod y deunydd hwn yn arddangos anisotropi mecanyddol sylweddol: mae'r caledwch yn amrywio yn dibynnu ar gyfeiriadedd y bwndeli nanotwinned, gyda'r caledwch uchaf yn cael ei gyflawni pan fydd y indenter yn berpendicwlar i'r bwndeli deuol.
4. Y "Nenfwd Damcaniaethol": Tri -Nanotiwb Carbon Cofalent Dimensiwn
Casgliad:Mae cyfrifiadau damcaniaethol yn rhagfynegi y gallai caledwch Vickers rhai polymerau nanotiwb carbon cofalent tri dimensiwn penodol gyrraedd uwchlaw 40 GPa, gan ddisgyn rhwng boron nitrid ciwbig a diemwnt.
Yn ogystal â synthesis arbrofol, mae gwyddonwyr wedi defnyddio-cyfrifiadau egwyddorion cyntaf i ragfynegi polymerau nanotiwb carbon tra-galed nad ydynt wedi'u syntheseiddio eto.
| Enw Strwythur | Caledwch Vickers | Nodweddion Band |
|---|---|---|
| CNP-oC36 | 40.4 GPa | Lled-ddargludydd bandgap anuniongyrchol (1.29 eV) |
| CNP-oC40 | 37.1 GPa | Lled-ddargludydd bandgap anuniongyrchol (0.67 eV) |
These structures can be considered as three-dimensional covalent crosslinked networks of carbon nanotubes with different chiralities. Their Vickers hardness has already entered the "ultrahard material" range (>Yn gyffredinol, ystyrir 40 GPa fel y trothwy ar gyfer deunyddiau caled).
Er eu bod yn dal yn y cyfnod damcaniaethol ar hyn o bryd, mae'r rhagfynegiadau hyn yn awgrymu bod y potensial i nanotiwbiau carbon drawsnewid yn strwythurau tra-galed tri dimensiwn yn llawer uwch na'r ddealltwriaeth gyfredol.
5. Un Tabl i'w Ddeall: Pa un Yw "Anoddach"?
| Cyflwr Prawf / Cyflwr | Diemwnt | Nanotiwb Carbon | Enillydd |
|---|---|---|---|
| Caledwch Mohs (crafu) | 10 | Yn cymharu â diemwnt | Tei |
| Caledwch arferol y Wladwriaeth Vickers | ~100 GPa | 185 HV (deunydd cyfansawdd) | Diemwnt |
| Modwlws Swmp ar ôl Cywasgiad Oer | ~440 GPa | 447 GPa | Nanotiwb Carbon |
| Uchel-Caledwch Vickers Phase Pwysedd | ~100 GPa | 241 GPa | Nanotiwb Carbon |
Yr ateb terfynol:
O dan amodau arferol:Mae diemwnt yn "anoddach." Mewn profion cyflwr arferol, mae caledwch diemwnt Vickers yn llawer uwch na chaledwch deunyddiau cyfansawdd carbon nanotiwb.
Dan bwysau:Mae nanotiwbiau carbon yn "anoddach." Pan fydd nanotiwbiau carbon yn cael eu cywasgu uwchlaw 75 GPa, maen nhw'n trawsnewid yn ddeunydd uwch-galed sy'n galetach na diemwnt - boed o ran modwlws swmp (447 vs 440 GPa) neu galedwch Vickers (241 vs ~ 100 GPa), maent yn rhagori ar ddiamwnt yn gynhwysfawr.
Mae nanotiwbiau carbon fel y "duw rhyfel" yn y byd deunyddiau - yn ymddangos yn gyffredin o dan amodau arferol, ond unwaith y bydd eu "trydydd llygad yn agor" (cymhwysir pwysau eithafol), mae eu caledwch ar unwaith yn rhagori ar ddiemwnt i ddod yn "Frenin Deunyddiau Ultrahard."
6. Deunydd Newydd Shandong Tanfeng: Y "Sylfaen Deunydd Crai" o'r Diwydiant Nanotiwb Carbon
Mae Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. yn darparu powdr nanotiwb carbon aml-furiog uchel (Yn fwy na neu'n hafal i 98%), gan wasanaethu fel deunydd crai delfrydol ar gyfer ymchwil arloesol megis trawsnewidiadau cyfnod pwysedd uchel.
P'un a yw'n record Prifysgol Yanshan-torri 241 o ymchwil GPa neu ymchwil trawsnewid cyfnod cywasgu oer 75 GPa Prifysgol Arizona, y man cychwyn ar gyfer y ddau yw -defnyddiau crai nanotiwb carbon o ansawdd uchel.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co, Ltd yn union y "ffynhonnell pŵer" ar y llwybr hwn o "deunydd crai i ultrahard."
| Mantais Dimensiwn | Cryfder Deunydd Newydd Tanfeng |
|---|---|
| Matrics Cynnyrch | Ystod lawn o nanotiwbiau carbon sengl-muriog/dwbl-furiog/aml-waliau (SWCNT/DWCNT/MWCNT) |
| Purdeb Cynnyrch | Yn fwy na neu'n hafal i 98%, cysondeb swp da |
| Prosesau Paratoi | Rhyddhau arc, abladiad laser, dyddodiad anwedd cemegol (CVD); meistrolaeth ar brosesau lluosog |
| Paramedrau Allweddol | Cyfres TF-210, ac ati; maint gronynnau 5-15 μm |
| Priodweddau Mecanyddol | modwlws Theoretical Young hyd at 5 TPa; cryfder 100 gwaith yn fwy na dur; pwysau 1/6 hynny o ddur |
| Cynllun Cais | Saith cyfeiriad strategol gan gynnwys cerbydau ynni newydd, awyrofod, trafnidiaeth rheilffordd |
Llwyddodd tîm Prifysgol Yanshan i syntheseiddio'r deunydd recordio byd gyda "Knoop hardness of 241 GPa" yn dibynnu ar -ragflaenyddion nanotiwb carbon o ansawdd uchel. Gydag 20 mlynedd o gronni diwydiant mewn deunyddiau carbon, mae Tanfeng New Material yn darparu sicrwydd deunydd crai sefydlog a dibynadwy ar gyfer ymchwil arloesol o'r fath.
Casgliad: Pa un Sy'n Anos? Ateb - Diemwnt o dan Amodau Normal, Nanotiwbiau Carbon Dan Bwysau
| Cyflwr | Anos | Data Allweddol |
|---|---|---|
| Pwysedd a Thymheredd Arferol | Diemwnt | caledwch Vickers tua 100 GPa vs CNT cyfansawdd 185 HV |
| High Pressure (>75 GPa) | Nanotiwbiau Carbon | Modwlws swmp 447 GPa yn rhagori ar ddiamwnt; 241 Mae GPa bedair gwaith yn fwy na diemwnt |
Mae'r ddadl dros galedwch rhwng nanotiwbiau carbon a diemwnt yn y pen draw yn rhoi ateb sy'n swyddogaeth - swyddogaeth "pwysau." Rhowch ddigon o bwysau ar nanotiwbiau carbon, a byddant yn rhagori ar ddiemwnt i ddod yn "Brenin Deunyddiau Ultrahard."
Dyma swyn eithaf nanotiwbiau carbon: gallant fod yn ddigon "meddal" i gyrlio i mewn i wifrau nanoradd ac yn ddigon "caled" i ragori ar ddiemwnt. O record 241 GPa Prifysgol Yanshan i allbwn sefydlog Tanfeng New Material o Fwy na neu'n hafal i nanotiwbiau carbon purdeb 98%, mae'r "ddadl caledwch" hon yn symud o archwilio academaidd i drawsnewid diwydiannol.