Mae gan nanotiwbiau carbon a diemwntau galedwch tebyg, ond mae eu diffiniadau o "galed" yn wahanol. O ran caledwch crafu (caledwch Mohs), diemwnt yw 10, yr uchaf ymhlith mwynau naturiol. Nid oes gan nanotiwbiau carbon unrhyw werth caledwch Mohs safonol, ond mae eu gallu crafu yn debyg i allu diemwnt. O ran caledwch Vickers (gwrthiant i bant), mae diemwnt yn 7140-15300 HV, tra bod nanotiwbiau carbon tua 1000-2000 HV. Fodd bynnag, mae ymchwil wedi syntheseiddio nanotiwbiau carbon tri-dimensiwn wedi'u bondio'n cofalent gyda chaledwch Vickers o 82.8 GPa. O ran caledwch, mae nanotiwbiau carbon 100 gwaith yn gryfach na dur a gellir eu hymestyn. Mae diemwntau, er eu bod yn galed, yn frau iawn a gallant gael eu chwalu gan forthwyl.Casgliad:Mewn caledwch crafu, diemwnt ≈ nanotiwb carbon; o ran caledwch effaith, mae nanotiwb carbon yn rhagori ar ddiamwnt yn llwyr.
1. Yn gyntaf, Deall "Caledwch": Mae'n golygu Pethau Gwahanol
Casgliad:Ym mywyd beunyddiol, mae gan y gair "caled" ddau ystyr - caledwch crafu (gwrthiant gwisgo) a gwrthiant effaith. Dim ond y cyntaf y mae Diamond yn ei ennill, ond mae'n colli'r ail.
Cyn cymharu nanotiwbiau carbon a diemwntau, mae angen egluro: beth mae "caledwch" yn ei olygu mewn gwirionedd?
Mae llawer o bobl ar gam yn credu bod caledwch uchel yn golygu "na ellir ei dorri gan forthwyl." Mae hyn yn gamsyniad.
Yn broffesiynol, mae caledwch wedi'i rannu'n ddau fath yn bennaf:
| Math Caledwch | Dull Mesur | Dehongliad Cyffredin | Deunydd Cynrychioliadol |
|---|---|---|---|
| Caledwch Crafu (Caledwch Mohs) | Crafu mwynau yn erbyn ei gilydd i weld pa un sy'n gadael marc | "Gwisgo ymwrthedd" | Diemwnt, gradd 10 (uchaf) |
| Caledwch Vickers (Caledwch mewnoliad) | Pwyswch indenter diemwnt i'r wyneb deunydd | "Gwrthsefyll anffurfiad o dan bwysau" | Diemwnt 7140-15300 HV |
| Gwydnwch Effaith | Streic morthwyl, prawf gollwng | "Gwrthsefyll effaith" | Mae diemwnt yn frau iawn ac yn chwalu'n hawdd |
Diemwnt:Caledwch Mohs 10, yr uchaf ymhlith mwynau naturiol. Fodd bynnag, mae ganddo "holltiad octahedral" - pan fydd grym yn cael ei gymhwyso i gyfeiriad penodol, gall hyd yn oed swm bach achosi iddo hollti. Bydd taro diemwnt gyda morthwyl yn ei chwalu'n bowdr. Nid yw hyn oherwydd bod ei chaledwch yn annigonol, ond oherwydd bod ei brau yn uchel.
Nanotiwbiau carbon:Wedi'i gyfansoddi o atomau carbon wedi'u cysylltu gan fondiau cofalent C=C, un o fondiau cemegol mwyaf sefydlog ei natur. Nid oes gan eu caledwch Mohs unrhyw werth safonol, ond mae eu gallu crafu yn "gymharol" i allu diemwnt. Y pwynt allweddol yw bod nanotiwbiau carbon hefyd "yn meddu ar hyblygrwydd da a gellir eu hymestyn."
I ddefnyddio cyfatebiaeth:Mae diemwnt fel darn o wydr - mae'r wyneb yn galed iawn ac yn gwrthsefyll traul, ond mae'n chwalu pan gaiff ei ollwng ar y llawr. Mae nanotiwbiau carbon fel gwifren ddur - gallant hefyd grafu gwydr, ond gallant hefyd gael eu plygu, eu hymestyn, ac ni ellir eu torri.
2. Gadewch i'r Data Siarad: Nanotiwbiau Carbon yn erbyn Diemwntau - Pa Sy'n Cryfach?
Casgliad:O ran cryfder tynnol a chryfder penodol (cryfder ÷ dwysedd), mae nanotiwbiau carbon yn "ffibr super" na all diemwnt gyfateb. O ran caledwch Vickers, nid yw nanotiwbiau carbon naturiol mor galed â diemwnt, ond mae mathau wedi'u syntheseiddio'n artiffisial wedi mynd ato neu hyd yn oed wedi rhagori arno.
Edrychwn yn uniongyrchol ar y gymhariaeth ddata:
| Metrig Perfformiad | Diemwnt | Nanotiwb carbon (CNT) |
|---|---|---|
| Caledwch Mohs | 10 (yr uchaf ymhlith mwynau naturiol) | "Cymharadwy" i diemwnt |
| Caledwch Vickers (HV) | 7140-15300 Hv | Tua 1000-2000 Hv (ar gyfer tiwb sengl) |
| Cryfder Tynnol | ~ 2-3 GPa (is gyda diffygion) | 50-200 GPa |
| Modwlws Elastig | ~1.0-1.2 TPa | 1-5 TPa |
| Dwysedd | 3.5 g / cm³ | 1.3-2.0 g / cm³ |
| Cryfder Penodol (Cryfder/Dwysedd) | ~0.6-0.9 GPa·cm³/g | 25-100 GPa·cm³/g (100 gwaith yn fwy na dur) |
| Hyblygrwydd | Hynod o frau, mae ganddo awyrennau holltiad | Gellir ei ymestyn a'i blygu |
| Gwrthsefyll Effaith | Gellir ei chwalu gan forthwyl | Gwydnwch hynod-uchel, gellir ei ddefnyddio mewn festiau atal bwled |
Mae'n werth edrych yn fanwl ar nifer o'r pwyntiau data hyn:
1. Cryfder Tynnol: Mae nanotiwbiau carbon yn ennill yn llwyr
Cryfder tynnol nanotiwbiau carbon yw 50-200 GPa. Er bod diemwnt yn galed, nid yw'n dda am "wrthsefyll tensiwn." I ddefnyddio cyfatebiaeth: Mae diemwnt fel brics gwydr - ni ellir ei falu, ond mae'n torri'n hawdd wrth ei dynnu.
2. Modwlws Elastig: Nanotiwbiau carbon ychydig yn well
Mae modwlws elastig yn mesur "y gallu i wrthsefyll anffurfiad." Mae diemwnt tua 1.0-1.2 TPa. Gall y gwerth damcaniaethol ar gyfer nanotiwbiau carbon gyrraedd 5 TPa, gyda gwerthoedd mesuredig fel arfer yn yr ystod o 1-1.8 TPa. O ran "anystwythder," maent yn cyfateb yn fras, gyda nanotiwbiau carbon hyd yn oed yn cael ymyl bach.
3. Cryfder Penodol: Mae nanotiwbiau carbon yn dominyddu popeth
Cryfder penodol=cryfder ÷ dwysedd, mesur "faint o rym tynnu y gall pwysau uned ei wrthsefyll." Mae cryfder penodol nanotiwbiau carbon 100 gwaith yn fwy na dur, gan gyrraedd 25-100 GPa·cm³/g. Mae hyn yn golygu: pe baech chi'n gwneud rhaff o nanotiwbiau carbon, byddai'n 100 gwaith yn gryfach na rhaff ddur o'r un pwysau. Dyma hefyd pam y defnyddiodd y nofel ffuglen wyddonol "The Three-Body Problem" "lafnau hedfan nano" i dorri trwy longau enfawr, a pham mae gwyddonwyr yn rhagweld defnyddio nanotiwbiau carbon i adeiladu "elevator gofod."
4. Nanotiwbiau Carbon hynod galed: Datblygiad gwyddonol newydd
Dyluniodd astudiaeth yn 2022 nanotiwb carbon tri-dimensiwn wedi'i fondio'n cofalent trwy gyfrifiadau damcaniaethol. Cyrhaeddodd ei chaledwch Vickers 82.8 GPa, sy'n debyg i boron nitrid ciwbig. Rhagwelodd astudiaeth arall yr un flwyddyn ddau bolymer nanotiwb carbon uwch-galed â chaledwch Vickers o 40.4 GPa a 37.1 GPa, yn y drefn honno.
Mae'r data hyn yn dangos y gall nanotiwbiau carbon nid yn unig drechu diemwnt o ran caledwch, ond mae gwyddonwyr hefyd yn eu galluogi i ragori ar ddiemwnt yn y dangosydd "caledwch."
3. A yw'r "Nano Flying Blade" yn Real? Pa mor gryf yw nanotiwbiau carbon?
Casgliad:Mae'r "llafn hedfan nano" o "The Three{0}}Body Problem" sy'n torri trwy longau anferth yn seiliedig ar nanotiwbiau carbon. Mewn gwirionedd, mae cryfder damcaniaethol nanotiwbiau carbon yn wir yn ddigon i "dorri trwy fetel fel mwd."
Yn y nofel ffuglen wyddonol "The Three-Body Problem," "llafn hedfan nano" dim ond un rhan o ddeg o drwch blew dynol all dorri llong anferth fel tofu. Ni chafodd y cysyniad hwn ei greu allan o aer tenau - ei brototeip yw'r nanotiwb carbon.
Beth all nanotiwbiau carbon ei gyflawni mewn gwirionedd?
100 gwaith yn gryfach na dur:Yn ddamcaniaethol, gallai bwndel o nanotiwbiau carbon sy'n deneuach na blew dynol godi car.
Cryfach nag unrhyw ffibr:Mae nanotiwbiau carbon yn llawer gwell nag unrhyw ffibr hysbys o ran cryfder a chadernid.
Nid breuddwyd yw codwr gofod:Mae gwyddonwyr yn credu mai nanotiwbiau carbon yw'r deunydd gorau posibl ar gyfer gwneud cebl "elevator gofod."
Wrth gwrs, mae'r dagfa dechnegol bresennol yn ymwneud â sut i ailadrodd perfformiad eithriadol nanotiwb carbon unigol mewn deunydd macrosgopig. Dyma'r broblem anodd y mae gwyddonwyr ledled y byd yn gweithio i'w goresgyn.
4. Sut Mae Deunydd Newydd Tanfeng yn Cynhyrchu'r "Deunydd Super" hwn
Mae Shandong Tanfeng New Material Technology Co, Ltd yn trawsnewid priodweddau mecanyddol rhagorol nanotiwbiau carbon yn gynhyrchion masgynhyrchu, gan ddod â'r "super material" allan o'r labordy.
Mae theori yn un peth, ond mae cymhwyso "uwchbwerau" nanotiwbiau carbon i gynhyrchion gwirioneddol yn gofyn am gwmnïau sy'n meistroli -technoleg cynhyrchu ar raddfa fawr.
Mae Shandong Tanfeng New Material Technology Co, Ltd yn union gwmni o'r fath.
Beth mae'n ei wneud?Mae'r cwmni'n canolbwyntio ar ymchwil a datblygu a chynhyrchu powdr nanotiwb carbon, past dargludol, a-defnyddiau anod carbon silicon. Mae ei gynhyrchion yn cwmpasu'r ystod lawn o nanotiwbiau carbon wal sengl a nanotiwbiau carbon aml-wal.
Beth yw ei allu technegol?
Yn dal mwy na deg patent gweithredol sy'n ymwneud â nanotiwbiau carbon.
Meistroli prosesau paratoi amrywiol gan gynnwys rhyddhau arc, abladiad laser, a dyddodiad anwedd cemegol (CVD).
Purdeb cynnyrch Yn fwy na neu'n hafal i 98%; gall maint gronynnau powdr gyrraedd 5-15 μm.
Mae allbwn misol yn cyrraedd 200 tunnell, sydd eisoes yn cynhyrchu màs.
Ble mae'n cymhwyso priodweddau mecanyddol nanotiwbiau carbon?Gall modwlws damcaniaethol Young o gynhyrchion nanotiwb carbon Tanfeng gyrraedd 5 TPa, gyda chryfder tua 100 gwaith yn fwy na dur a dwysedd dim ond 1/6 yn fwy na dur. Mae'r priodweddau mecanyddol rhagorol hyn yn cael eu defnyddio yn y meysydd canlynol:
| Maes Cais | Defnydd Penodol | Rôl Nanotiwbiau Carbon |
|---|---|---|
| Awyrofod | Fuselage a chydrannau strwythurol adain | Cryfder uchel iawn + ultra-pwysau ysgafn |
| Trafnidiaeth Rheilffordd | Deunyddiau ysgafn ar gyfer cyrff trên | Yn lleihau pwysau tra'n cynnal cryfder |
| Ynni Gwynt | Llafnau anferth | Ymwrthedd blinder, bywyd gwasanaeth hir |
| Deunyddiau Polymer Uwch | Cyfansoddion -perfformiad uchel | Yn gwella priodweddau mecanyddol |
| Elastomers | Cynhyrchion rwber sy'n gwrthsefyll traul uchel | Yn gwella cryfder a gwrthsefyll gwisgo |
Mae'r cwmni'n dilyn y strategaeth ddatblygu genedlaethol ar gyfer ynni newydd a deunyddiau newydd yn agos, gyda chwmpas ei fusnes yn ymledu ledled y wlad, gan anelu at ddod yn "ddarparwr deunydd uwch a darparwr gwasanaeth technegol."
Un{0}}crynodeb brawddeg:Er bod gwyddonwyr yn profi mewn labordai bod nanotiwbiau carbon yn "ffibr super," mae cwmnïau fel Tanfeng New Material yn eu troi'n gynhyrchion y gallwch eu prynu.
Casgliad: Pa un Sy'n Anos? Mae'r ateb yn dibynnu ar sut rydych chi'n diffinio "caled"
| Os ydych yn holi am... | Yr ateb yw... |
|---|---|
| Pa un sy'n gallu gwrthsefyll traul (caledwch crafu) | Diemwnt ≈ Nanotiwb carbon (cymharol); diemwnt yw'r uchaf ymhlith mwynau naturiol |
| Sy'n fwy gwrthsefyll cywasgu (caledwch Vickers) | Mae diemwnt yn uwch, ond mae nanotiwbiau carbon ultra-caled wedi dod ato neu hyd yn oed wedi rhagori arno |
| Sy'n fwy gwrthsefyll tensiwn (cryfder tynnol) | Mae nanotiwb carbon yn ennill yn llwyr, dwsinau o weithiau'n gryfach na diemwnt |
| Pa un sy'n gallu gwrthsefyll effaith yn fwy (caledwch) | Mae nanotiwb carbon yn ennill yn llwyr; mae diemwnt yn chwalu gyda morthwyl |
| Sydd yn gryfach yn gyffredinol (perfformiad cynhwysfawr) | Nanotiwb carbon - caled, cryf, gwydn ac ysgafn |
Y casgliad terfynol yw:
Yn yr ystyr traddodiadol o "ymwrthedd gwisgo," mae gan nanotiwbiau diemwnt a charbon eu manteision. Ond o ran "priodweddau mecanyddol cynhwysfawr" - yn enwedig cryfder tynnol, caledwch, a chryfder penodol - nanotiwbiau carbon yw'r brenin diamheuol.
Diemwnt yw'r "mwyn naturiol caletaf ar y Ddaear," ond nanotiwbiau carbon yw'r "ffibr cryfaf a wneir gan bobl."
Fel y dywedodd un gwyddonydd deunyddiau: "Diamond yw brenin y gorffennol; nanotiwbiau carbon yw conglfaen y dyfodol."
A chan fod y deunydd hwn yn y dyfodol yn cael ei -gynhyrchu ar raddfa fawr gan Shandong Tanfeng, gallwn ddweud: mae oes nanotiwbiau carbon wedi cyrraedd.