Care este „mai greu”, nanotuburi de carbon (CNT) sau diamant? Răspunsul depinde dacă îi aplicați presiune. În ceea ce privește duritatea Mohs, cele două sunt comparabile - duritatea nanotuburilor de carbon este comparabilă cu cea a diamantului. În ceea ce privește duritatea Vickers, nanotuburile de carbon în stare naturală (185,1 HV) sunt mult mai mici decât diamantul (de ordinul a 10.000 HV). Dar un miracol are loc atunci când nanotuburile de carbon sunt comprimate la rece: ele pot forma o fază ultradură cu un modul în vrac de 447 GPa, cu valoarea durității crescând de la 185,1 HV inițial la 241 GPa (24.100 HV), care este de 4 ori mai mare decât cea a diamantului brut (aproximativ 60 GPa). Aceasta înseamnă: în condiții normale, diamantul este mai dur; după tratamentul la presiune înaltă-, nanotuburile de carbon pot depăși diamantul pentru a deveni „Regele materialelor ultradure”. Shandong Tanfeng New Material oferă nanotuburi de carbon cu mai mulți pereți/single-puritate-puritate-, servind drept materie primă ideală pentru o astfel de cercetare de-performanță ridicată.
1. Definiți mai întâi standardul: două tipuri de „duritate”, două răspunsuri
Concluzie:Care este „mai greu”, nanotuburi de carbon sau diamant? Depinde de tipul de duritate pe care îl măsurați - duritatea Mohs, duritatea Vickers și modulul în vrac după transformarea de fază la presiune ultra-înaltă oferă răspunsuri complet diferite.
Termenul de „duritate” în știința materialelor are cel puțin trei semnificații. Metode de măsurare diferite și condiții diferite dau concluzii complet diferite:
| Tip de duritate | Metoda de măsurare | Valoarea tipică a diamantului | Valoarea tipică a nanotuburilor de carbon |
|---|---|---|---|
| Duritatea Mohs | Zgâriați mineralele unul împotriva celuilalt | 10 (cel mai mare) | Comparabil cu diamantul |
| Duritate Vickers (stare normală) | Indentor de diamant apăsând | De ordinul a 10.000 HV (aproximativ 100 GPa) | 185,1 HV (material compozit) |
| Duritate Vickers (faza de-înaltă presiune) | Măsurat după compresie la rece | Aproximativ 100-150 GPa | 241 GPa (pachete de diamante nanogemate realizate din CNT) |
| Modul în vrac | Rezistenta la compresie | Aproximativ 440-442 GPa | Faza comprimata la rece 447 GPa |
Diferența cheie este:Valoarea măsurată a durității nanotuburilor de carbon în stare naturală este relativ scăzută (în special în compozite), dar odată ce sunt supuse unei compresii extreme, se transformă într-o fază ultradură, care este mai dură decât diamantul.
Notă: Duritatea Vickers a unui material compozit cu nanotuburi de carbon (cum ar fi aliajul de aluminiu CNT/2024) este de aproximativ 185 HV. Această valoare reflectă duritatea generală a compozitului, nu duritatea nanotuburilor de carbon în sine. Cercetările privind duritatea nanotuburilor individuale de carbon se desfășoară în principal în domeniul transformării de fază la ultra-presiunea ultraînaltă.
2. Confruntare în stare normală: Mohs Hardness Tie, Vickers Hardness Diamond câștigă
Concluzie:În condiții „normale” (presiune normală, temperatura camerei) pe care le întâlnim în viața de zi cu zi, diamantul este regele absolut al durității. Performanța de duritate a nanotuburilor de carbon depinde în principal de matricea compozită.
2.1 Duritate Mohs: gât și gât
Din perspectiva „zgârierei reciproce”, duritatea nanotuburilor de carbon este „comparabilă” cu cea a diamantului.
Nanotuburile de carbon sunt compuse din atomi de carbon conectați prin legături covalente sp² formând o structură inelar cu șase-membri, în timp ce diamantul constă dintr-un cadru tri-dimensional de legături covalente sp³. Ambele sunt carbon-legături carbon - una dintre cele mai stabile legături chimice din natură. Prin urmare, atunci când se zgârie unul pe celălalt, niciunul nu are un avantaj clar față de celălalt.
În termeni profani:Diamantul poate zgâria sticla, iar nanotuburile de carbon pot, de asemenea, zgâria sticla - pe această dimensiune, cele două se leagă.
2.2 Duritate Vickers: diamantul domină
Duritatea Vickers este măsurată prin apăsarea unui indentor de diamant în suprafața materialului și măsurarea adâncimii de indentare. În acest test, nanotuburile de carbon în stare convențională sunt cu mult inferioare diamantului:
| Material | Duritatea Vickers |
|---|---|
| Diamant | Magnitudine de aproximativ 100 GPa (10.000 HV) |
| Nanotub de carbon/compozit din aliaj de aluminiu | Maxim aproximativ 185,1 HV după soluție solidă + tratament de îmbătrânire |
Diferența este de aproximativ 50 de ori.
Dar iată un punct cheie: 185 HV măsoară „nanotuburile de carbon + aliaj de aluminiu” întreaga cercetare - care reflectă cu adevărat duritatea nanotuburilor de carbon în sine este efectuată folosind un alt sistem de „ultra-presiune înaltă” în laborator.
3. Momentul „Transformării”: Aplicați presiune asupra nanotuburilor de carbon, acestea devin mai dure decât diamantul
Concluzie:Când nanotuburile de carbon sunt comprimate la rece la aproximativ 75 GPa (750.000 de atmosfere), ele se transformă într-o nouă fază de carbon ultradură cu un modul în vrac care îl depășește pe cel al diamantului.
Acesta este adevăratul „atu” al nanotuburilor de carbon.
3.1 Experiment de compresie la rece: 75 GPa declanșează tranziția de fază
În 2004, o echipă condusă de Zhongwu Wang de la Universitatea din Arizona a publicat un studiu de reper înPNAS. Au plasat nanotuburi de carbon cu pereți multi-într-o celulă de nicovală de diamant și le-au presurizat la aproximativ 100 GPa (aproximativ 1 milion de atmosfere). Ei au descoperit că la aproximativ 75 GPa, nanotuburile de carbon s-au transformat într-o fază de carbon hexagonală complet nouă.
Date cheie:
| Parametru | Valoare |
|---|---|
| Modul în vrac | 447 GPa (cu K′=4 fix), depășind aproximativ 440-442 GPa pentru diamant |
| Densitate | 3,6±0,2 g/cm³, comparabil cu diamantul |
| Recuperare | Această fază a fost reținută în mediul ambiant după eliberarea presiunii |
Modulul în vrac este un indicator al „rezistenței la compresiune” a unui material - cu cât este mai mare modulul în vrac, cu atât materialul este mai dificil de comprimat sub presiune. Faza de-înaltă presiune a nanotuburilor de carbon depășește diamantul în acest indicator.
3.2 Pachete de diamante nanotwinned: record-de 241 GPa
În 2021, o echipă condusă de profesorul Zhao Zhisheng și profesorul Xu Bo de la Universitatea Yanshan a publicat cercetări înPNAS. Folosind filme de nanotuburi de carbon cu pereți multi-înalt orientate ca precursori, aceștia au sintetizat diamant cu fascicule nanotwinned orientate în mod preferențial prin tratament de înaltă-presiune înaltă-temperatură (HPHT).
Cele mai uimitoare rezultate:
| Parametru | Valoare |
|---|---|
| Duritatea Knoop | Până la 241 GPa, cu peste 20% mai mare decât recordul mondial precedent |
Ce înseamnă 241 GPa? Duritatea Knoop a diamantului brut (diamantul natural) este de obicei între 60-100 GPa. Aceasta înseamnă că „diamantul nanoîntrecut” transformat din nanotuburi de carbon este de 2-4 ori mai dur decât diamantul obișnuit.
Experimentul a mai constatat că acest material prezintă o anizotropie mecanică semnificativă: duritatea variază în funcție de orientarea fasciculelor nanotwinned, cea mai mare duritate atinsă atunci când indenterul este perpendicular pe fasciculele gemene.
4. „Plafonul teoretic”: nanotuburi de carbon covalent tridimensionale-
Concluzie:Calculele teoretice prevăd că duritatea Vickers a anumitor polimeri tri-dimensionali de nanotuburi de carbon covalent ar putea atinge peste 40 GPa, situându-se între nitrura de bor cubică și diamant.
În plus față de sinteza experimentală, oamenii de știință au folosit primele-principii de calcul pentru a prezice polimeri de nanotuburi de carbon ultraduri care nu au fost încă sintetizați.
| Numele structurii | Duritatea Vickers | Caracteristicile benzii |
|---|---|---|
| CNP-oC36 | 40,4 GPa | Semiconductor bandgap indirect (1,29 eV) |
| CNP-oC40 | 37,1 GPa | Semiconductor bandgap indirect (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 (>40 GPa este în general considerat pragul pentru materialele ultradure).
Deși încă în stadiu teoretic deocamdată, aceste predicții sugerează că potențialul nanotuburilor de carbon de a se transforma în structuri ultradure tri-dimensionale depășește cu mult înțelegerea actuală.
5. Un singur tabel de înțeles: care este „mai greu”?
| Condiție/Stare de testare | Diamant | Nanotub de carbon | Câştigător |
|---|---|---|---|
| Duritate Mohs (zgârietură) | 10 | Comparabil cu diamantul | Cravată |
| Stare normală Duritate Vickers | ~100 GPa | 185 HV (material compozit) | Diamant |
| Modulul în vrac după compresie la rece | ~440 GPa | 447 GPa | Nanotub de carbon |
| Duritate Vickers cu fază de{0}}presiune ridicată | ~100 GPa | 241 GPa | Nanotub de carbon |
Raspunsul final:
În condiții normale:Diamantul este „mai greu”. În testele de stare normală, duritatea Vickers a diamantului o depășește cu mult pe cea a materialelor compozite cu nanotuburi de carbon.
Sub presiune:Nanotuburile de carbon sunt „mai dure”. Când nanotuburile de carbon sunt comprimate peste 75 GPa, ele se transformă într-un material ultradur, care este mai dur decât diamantul -, indiferent dacă în termeni de modul în vrac (447 vs 440 GPa) sau de duritate Vickers (241 vs ~ 100 GPa), ele depășesc cu totul diamantul.
Nanotuburile de carbon sunt ca „zeul războiului” în lumea materialelor -, arătând obișnuite în condiții normale, dar odată ce „al treilea ochi se deschide” (se aplică o presiune extremă), duritatea lor depășește instantaneu diamantul pentru a deveni „Regele materialelor ultradure”.
6. Shandong Tanfeng New Material: „Baza de materie primă” a industriei nanotuburilor de carbon
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. furnizează pulbere de nanotuburi de carbon de-puritate ridicată (mai mare sau egală cu 98%) cu mai mulți-pereți/unic-perete, care servește drept materie primă ideală pentru cercetare-de vârf, cum ar fi tranzițiile de fază de-înaltă presiune.
Fie că este vorba de cercetarea de-record al Universității Yanshan de 241 GPa sau de cercetarea de tranziție a fazei de compresie la rece de 75 GPa de la Universitatea din Arizona, punctul de plecare pentru ambele sunt materiile prime din nanotuburi de carbon de-înaltă calitate.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. este tocmai „sursa de putere” pe această cale de la „materia primă la ultrahard”.
| Dimensiunea avantajului | Puterea noului material Tanfeng |
|---|---|
| Matricea produsului | Gamă completă de nanotuburi de carbon cu un-perete/dublu-perete/multi-pereți (SWCNT/DWCNT/MWCNT) |
| Puritatea produsului | Mai mare sau egală cu 98%, consistență bună a lotului |
| Procese de pregătire | Descărcare cu arc, ablație cu laser, depunere chimică de vapori (CVD); stăpânirea mai multor procese |
| Parametri cheie | seria TF-210 etc.; dimensiunea particulelor 5-15 μm |
| Proprietăți mecanice | Modulul Young teoretic până la 5 TPa; rezistență de 100 de ori mai mare decât oțelul; greutate 1/6 fata de otel |
| Aspect aplicație | Șapte direcții strategice, inclusiv vehicule de energie nouă, aerospațială, tranzit feroviar |
Echipa Universității Yanshan a reușit să sintetizeze materialul-record mondial cu „Duritate Knoop de 241 GPa” bazându-se pe precursori de nanotuburi de carbon de-înaltă calitate. Cu 20 de ani de acumulare în industrie a materialelor de carbon, Tanfeng New Material oferă o asigurare stabilă și fiabilă a materiei prime pentru o astfel de cercetare-de vârf.
Concluzie: care este mai greu? Răspundeți - Diamant în condiții normale, nanotuburi de carbon sub presiune
| Stat | Mai tare | Date cheie |
|---|---|---|
| Presiune și temperatură normale | Diamant | Duritate Vickers aproximativ 100 GPa față de compozit CNT 185 HV |
| High Pressure (>75 GPa) | Nanotuburi de carbon | Modulul vrac 447 GPa depășește diamantul; 241 GPa este de patru ori mai mare decât diamantul |
Dezbaterea asupra durității dintre nanotuburile de carbon și diamant oferă în cele din urmă un răspuns care este o funcție - o funcție a „presiunii”. Aplicați suficientă presiune asupra nanotuburilor de carbon și acestea vor depăși diamantul pentru a deveni „Regele materialelor ultradure”.
Acesta este farmecul suprem al nanotuburilor de carbon: ele pot fi suficient de „moale” pentru a se ondula în fire la scară nanometrică și suficient de „dure” pentru a depăși diamantul. De la recordul de 241 GPa al Universității Yanshan până la producția stabilă a Tanfeng New Material de nanotuburi de carbon cu puritate mai mare sau egală cu 98%, această „dezbatere despre duritate” trece de la explorarea academică la transformarea industrială.