Nanotuburile de carbon și diamantele au duritate comparabilă, dar definițiile lor pentru „dure” sunt diferite. În ceea ce privește duritatea la zgârieturi (duritate Mohs), diamantul este 10, cel mai mare dintre mineralele naturale. Nanotuburile de carbon nu au o valoare standard de duritate Mohs, dar capacitatea lor de zgâriere este comparabilă cu cea a diamantului. În ceea ce privește duritatea Vickers (rezistența la indentare), diamantul este de 7140-15300 HV, în timp ce nanotuburile de carbon au aproximativ 1000-2000 HV. Cu toate acestea, cercetările au sintetizat nanotuburi de carbon tridimensionale legate covalent, cu o duritate Vickers de 82,8 GPa. În ceea ce privește duritatea, nanotuburile de carbon sunt de 100 de ori mai rezistente decât oțelul și pot fi întinse. Diamantele, deși tari, sunt foarte fragile și pot fi spulberate cu un ciocan.Concluzie:În duritatea zgârieturii, diamant ≈ nanotub de carbon; ca rezistență la impact, nanotubul de carbon depășește complet diamantul.
1. În primul rând, înțelegeți „Duritatea”: înseamnă lucruri diferite
Concluzie:În viața de zi cu zi, cuvântul „hard” are de fapt două semnificații - duritate la zgârieturi (rezistență la uzură) și rezistență la impact. Diamond câștigă doar primul, dar îl pierde pe al doilea.
Înainte de a compara nanotuburi de carbon și diamante, este necesar să clarificăm: ce înseamnă de fapt „duritate”?
Mulți oameni cred în mod eronat că duritatea mare înseamnă „nu poate fi spart de un ciocan”. Aceasta este o concepție greșită.
Profesional, duritatea este împărțită în principal în două tipuri:
| Tip de duritate | Metoda de măsurare | Interpretare comună | Material reprezentativ |
|---|---|---|---|
| Duritate la zgârieturi (duritate Mohs) | Zgâriați mineralele unul împotriva celuilalt pentru a vedea care lasă o urmă | „Rezistență la uzură” | Diamant, nota 10 (cel mai mare) |
| Duritate Vickers (Duritate Indentare) | Apăsați un indentor de diamant în suprafața materialului | „Rezistența la deformare la presiune” | Diamond 7140-15300 HV |
| Rezistența la impact | Lovitură de ciocan, test de cădere | „Rezistența la impact” | Diamantul este foarte fragil și se sparge ușor |
Diamant:Duritate Mohs 10, cea mai mare dintre mineralele naturale. Cu toate acestea, are „clivaj octaedric” - atunci când forța este aplicată într-o direcție specifică, chiar și o cantitate mică poate provoca despicarea acesteia. Lovirea unui diamant cu un ciocan îl va sparge în pulbere. Acest lucru nu se datorează faptului că duritatea sa este insuficientă, ci pentru că fragilitatea sa este mare.
Nanotuburi de carbon:Compus din atomi de carbon legați prin legături covalente C=C, una dintre cele mai stabile legături chimice din natură. Duritatea lor Mohs nu are o valoare standard, dar capacitatea lor de zgâriere este „comparabilă” cu cea a diamantului. Punctul cheie este că nanotuburile de carbon, de asemenea, „au o flexibilitate bună și pot fi întinse”.
Pentru a folosi o analogie:Diamantul este ca o bucată de sticlă. Nanotuburile de carbon sunt ca o sârmă de oțel -, de asemenea, pot zgâria sticla, dar pot fi și îndoite, întinse și sunt indestructibile.
2. Lasă datele să vorbească: nanotuburi de carbon vs. diamante - Care este mai puternic?
Concluzie:În ceea ce privește rezistența la tracțiune și rezistența specifică (rezistență ÷ densitate), nanotuburile de carbon sunt o „super fibră” pe care diamantul nu o poate egala. În ceea ce privește duritatea Vickers, nanotuburile naturale de carbon nu sunt la fel de dure ca diamantul, dar soiurile sintetizate artificial s-au apropiat sau chiar au depășit-o.
Să ne uităm direct la compararea datelor:
| Valoarea performanței | Diamant | Nanotub de carbon (CNT) |
|---|---|---|
| Duritatea Mohs | 10 (cel mai mare dintre mineralele naturale) | „Comparabil” cu diamantul |
| Duritate Vickers (HV) | 7140-15300 Hv | Aproximativ 1000-2000 Hv (pentru un singur tub) |
| Rezistență la tracțiune | ~2-3 GPa (mai mic cu defecte) | 50-200 GPa |
| Modulul elastic | ~1,0-1,2 TPa | 1-5 TPa |
| Densitate | 3,5 g/cm³ | 1,3-2,0 g/cm³ |
| Forța specifică (tăria/densitatea) | ~0,6-0,9 GPa·cm³/g | 25-100 GPa·cm³/g (de 100 de ori mai mare decât oțelul) |
| Flexibilitate | Extrem de fragil, are planuri de clivaj | Poate fi întins și îndoit |
| Rezistenta la impact | Poate fi spart de un ciocan | Duritate ultra-, poate fi folosit în veste antiglonț |
Câteva dintre aceste date merită examinate îndeaproape:
1. Rezistența la tracțiune: nanotuburile de carbon câștigă complet
Rezistența la tracțiune a nanotuburilor de carbon este de 50-200 GPa. Deși diamantul este dur, nu este bun pentru a „rezista la tensiune”. Pentru a folosi o analogie: diamantul este ca o cărămidă de sticlă - nu poate fi zdrobit, dar se rupe ușor când este tras.
2. Modulul elastic: nanotuburi de carbon puțin mai bune
Modulul elastic măsoară „capacitatea de a rezista la deformare”. Diamantul este de aproximativ 1,0-1,2 TPa. Valoarea teoretică pentru nanotuburile de carbon poate ajunge la 5 TPa, cu valori măsurate de obicei în intervalul 1-1,8 TPa. În ceea ce privește „rigiditatea”, acestea sunt aproximativ echivalente, nanotuburile de carbon având chiar și o ușoară margine.
3. Forță specifică: nanotuburile de carbon domină totul
Rezistență specifică=rezistență ÷ densitate, care măsoară „câtă forță de tracțiune poate suporta o unitate de greutate”. Rezistența specifică a nanotuburilor de carbon este de 100 de ori mai mare decât a oțelului, atingând 25-100 GPa·cm³/g. Aceasta înseamnă: dacă ai face o frânghie din nanotuburi de carbon, aceasta ar fi de 100 de ori mai puternică decât o frânghie de oțel de aceeași greutate. Acesta este, de asemenea, motivul pentru care romanul științifico-fantastic „The Three-Body Problem” a folosit „nano lame zburătoare” pentru a tăia nave gigantice și de ce oamenii de știință au în vedere utilizarea nanotuburilor de carbon pentru a construi un „lift spațial”.
4. Nanotuburi de carbon ultra-duri: o nouă descoperire științifică
Un studiu din 2022 a proiectat un nanotub de carbon tri-dimensional legat covalent prin calcule teoretice. Duritatea sa Vickers a ajuns la 82,8 GPa, comparabilă cu nitrura de bor cubică. Un alt studiu din același an a prezis doi polimeri metastabili de nanotuburi de carbon ultra-duri cu durități Vickers de 40,4 GPa și, respectiv, 37,1 GPa.
Aceste date arată că nanotuburile de carbon nu numai că pot învinge diamantul din punct de vedere al tenacității, dar oamenii de știință le permit și să depășească diamantul în indicatorul de „duritate”.
3. Este „Nano Flying Blade” reală? Cât de puternice sunt nanotuburile de carbon?
Concluzie:„Nano-lama zburătoare” din „The Three-Body Problem” care trece prin nave gigantice se bazează pe nanotuburi de carbon. În realitate, rezistența teoretică a nanotuburilor de carbon este într-adevăr suficientă pentru a „taia prin metal precum noroiul”.
În romanul științifico-fantastic „The Three-Body Problem”, o „nano-lamă zburătoare” doar cu o-zecime din grosimea unui păr uman poate tăia o navă uriașă precum tofu. Acest concept nu a fost creat din aer - prototipul său este nanotubul de carbon.
Ce pot realiza nanotuburile de carbon în realitate?
De 100 de ori mai puternic decât oțelul:Un mănunchi de nanotuburi de carbon mai subțiri decât un păr uman ar putea ridica teoretic o mașină.
Mai puternic decât orice fibră:Nanotuburile de carbon sunt cu mult superioare oricărei fibre cunoscute atât în ceea ce privește rezistența, cât și duritatea.
Liftul spațial nu este un vis:Oamenii de știință cred că nanotuburile de carbon sunt cel mai bun material candidat pentru realizarea cablului unui „lift spațial”.
Desigur, blocajul tehnic actual constă în modul de reproducere a performanței excepționale a unui nanotub de carbon individual într-un material macroscopic. Aceasta este problema dificilă pe care oamenii de știință din întreaga lume se străduiesc să o depășească.
4. Cum Tanfeng New Material produce acest „Super Material”
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. transformă proprietățile mecanice excelente ale nanotuburilor de carbon în produse producibile în masă-, scoțând „super-materialul” din laborator.
Teoria este un lucru, dar aplicarea cu adevărat a „superputerilor” nanotuburilor de carbon la produsele reale necesită companii care să stăpânească tehnologia de producție-la scară largă.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. este exact o astfel de companie.
Ce face?Compania se concentrează pe cercetarea și dezvoltarea și producția de pulbere de nanotuburi de carbon, pastă conductivă și materiale de siliciu-anodi de carbon. Produsele sale acoperă întreaga gamă de nanotuburi de carbon cu un-perete și nanotuburi de carbon cu pereți multi-.
Care este capacitatea sa tehnică?
Deține mai mult de zece brevete active legate de nanotuburi de carbon.
Stăpânește diferite procese de pregătire, inclusiv descărcarea cu arc, ablația cu laser și depunerea chimică în vapori (CVD).
Puritatea produsului Mai mare sau egală cu 98%; dimensiunea particulelor de pulbere poate ajunge la 5-15 μm.
Producția lunară ajunge la 200 de tone, deja în producție de masă.
Unde aplică proprietățile mecanice ale nanotuburilor de carbon?Modulul teoretic Young al produselor din nanotuburi de carbon Tanfeng poate ajunge la 5 TPa, cu o rezistență de aproximativ 100 de ori mai mare decât cea a oțelului și o densitate de numai 1/6 față de cea a oțelului. Aceste proprietăți mecanice excelente sunt utilizate în următoarele domenii:
| Câmp de aplicare | Utilizare specifică | Rolul nanotuburilor de carbon |
|---|---|---|
| Aerospațial | Componentele structurale ale fuselajului și aripilor | Rezistență ultra-înaltă + greutate ultra-ușoară |
| Tranzit feroviar | Materiale ușoare pentru corpuri de tren | Reduce greutatea menținând forța |
| Energia eoliană | Lame gigantice | Rezistență la oboseală, durată lungă de viață |
| Materiale polimerice avansate | Compozite{0}}de înaltă performanță | Îmbunătățește proprietățile mecanice |
| Elastomeri | Produse din cauciuc cu{0}}uzură-înaltă | Îmbunătățește rezistența și rezistența la uzură |
Compania urmărește îndeaproape strategia națională de dezvoltare a energiei noi și a materialelor noi, domeniul său de activitate radiind la nivel național, aspirând să devină un „furnizor avansat de materiale și furnizor de servicii tehnice”.
Rezumatul unei-propoziții:În timp ce oamenii de știință demonstrează în laboratoare că nanotuburile de carbon sunt o „super fibră”, companii precum Tanfeng New Material le transformă în produse pe care le puteți cumpăra.
Concluzie: care este mai greu? Răspunsul depinde de modul în care definiți „greu”
| Daca intrebi despre... | Raspunsul este... |
|---|---|
| Care este mai rezistent-la uzură (duritate la zgârieturi) | Diamond ≈ Nanotub de carbon (comparabil); diamantul este cel mai mare dintre mineralele naturale |
| Care este mai rezistent la compresie (duritate Vickers) | Diamantul este mai înalt, dar nanotuburi de carbon ultra-duri s-au apropiat sau chiar l-au depășit |
| Care este mai rezistent la tensiune (rezistență la tracțiune) | Nanotubul de carbon câștigă complet, de zeci de ori mai puternic decât diamantul |
| Care este mai rezistent la impact (duritate) | Nanotubul de carbon câștigă complet; diamantul se sparge cu un ciocan |
| Care este mai puternic în general (performanță cuprinzătoare) | Nanotub de carbon - dur, puternic, dur și ușor |
Concluzia finală este:
În sensul tradițional de „rezistență la uzură”, nanotuburile de diamant și carbon au fiecare avantajele lor. Dar în ceea ce privește „proprietățile mecanice cuprinzătoare”, - în special rezistența la tracțiune, tenacitatea și rezistența specifică - nanotuburile de carbon sunt regele incontestabil.
Diamantul este „cel mai dur mineral natural de pe Pământ”, dar nanotuburile de carbon sunt „cea mai puternică fibră produsă de oameni”.
După cum a spus un om de știință din materiale: „Diamantul este regele trecutului; nanotuburile de carbon sunt piatra de temelie a viitorului”.
Și, deoarece acest material viitor este produs în masă-de Shandong Tanfeng, putem spune: era nanotuburilor de carbon a sosit.