Süsiniknanotorude ja grafeeni vaheline seos: "2D-leht" ja "1D-toru" samalt emalt
Carbon nanotubes (CNTs) and graphene are essentially the same type of material - both are composed of carbon atoms bonded together by sp² hybridization to form a six-membered ring honeycomb structure. The core relationship between the two is: a carbon nanotube = a seamless cylinder formed by rolling up a graphene sheet. Graphene is an "unrolled sheet" (two-dimensional), while a carbon nanotube is a "rolled-up paper tube" (one-dimensional). In terms of performance, carbon nanotubes have higher axial strength (tensile strength can reach 80 GPa), while graphene has superior in-plane thermal conductivity (approximately 5000 W/m·K). The two can be composite to form a synergistic effect of "1+1>2" - grafeen-vahestatud süsinik-nanotorukilede tõmbetugevus ulatub 6,67 GPa-ni, soojusjuhtivus on 753 W/m·K. Shandong Tanfeng New Material tarnib nii ühe-seinaga kui ka mitme-seinaga süsinik-nanotorusid, mille metalli puhtusaste on 9% või suurem kui Le. võrdne 0,5 ppm ja on juba partiidena tarnitud juhtivatele kodumaistele ettevõtetele.
1. Süsiniknanotorude ja grafeeni "veresuhe": sama ema, sama struktuuri päritolu
Järeldus:Süsiniknanotorud ja grafeen on sisuliselt sama materjali kaks vormi - grafeen on "lahtirullitud leht", samas kui süsinik-nanotoru on "kokkurullitud paberitoru".
Süsiniknanotorude ja grafeeni vahelise seose mõistmiseks peame esmalt vaatama nende ühisosa aatomitasandil.
Mõlemad koosnevad süsinikuaatomitest ja süsinikuaatomid on paigutatud samamoodi. Nii grafeenis kui ka süsinik-nanotorudes on iga süsinikuaatom ühendatud kolme naabersüsinikuaatomiga sp²-hübriidsete kovalentsete sidemetega, moodustades kuue -liikmelise tsükliga kärgstruktuuri. See on üks stabiilsemaid teadaolevaid keemilisi sidemeid ja mõlema suurepäraste omaduste ühine allikas.
Tekib küsimus:Kuna struktuurid on identsed, siis miks ühte nimetatakse "grafeeniks" ja teist "süsinik-nanotorudeks"?
Erinevus seisneb selles, et "rullitakse kokku" ja "mitte kokku rullitud".
| Võrdlusmõõde | Grafeen | Süsiniknanotoru |
|---|---|---|
| Geomeetriline morfoloogia | Kahe{0}}mõõtmeline tasapinnaline leht | Ühe-mõõtmeline õõnessilinder |
| Mõõtmed | 2D | 1D |
| Struktuurne suhe | Alusvorm - "paberileht" | Rull{0}}grafeen - "pabertoru" |
| Kihi kontseptsioon | Ühekihiline=grafeen; mitmekihilised=grafeeni nanotrombotsüüdid | Ühekihiline valtsitud=SWCNT; mitu kihti rullitud=MWCNT |
Süsiniknanotoru on vaid mõne nanomeetrise läbimõõduga mikrotuubul, mis tekib ühe grafiidikihi kokkurullimisel. Teisisõnu: süsiniknanotorud on grafeeni lähedased õed-vennad - jagavad samu geene, kuid üks kasvas lehekujuliseks, teine aga torukujuliseks.
2. Toimivuse võrdlus: 1D vs. 2D, mõlemal on oma tugevused
Järeldus:Süsinik-nanotorude tugevus seisneb nende teljetugevuses ja{0}}ühemõõtmelises elektrijuhtivuses; grafeeni tugevus seisneb selle tasapinnalises-soojusjuhtivuses ja äärmiselt suures eripinnas.
Ehkki materjalidel on sama päritolu, põhjustab "1D toru" ja "2D lehe" struktuurne erinevus oluliselt erineva jõudluse fookuse.
2.1 Põhilised erinevused struktuuris ja jõudluses
Grafeeni süsinik-süsiniksidemed ulatuvad tasapinnas, andes sellele äärmiselt suure tugevuse, elektrijuhtivuse ja soojusjuhtivuse tasapinnas-. Kuid kihid on ühendatud nõrkade van der Waalsi jõududega, mille tulemuseks on halb jõudlus vertikaalsuunas.
Kui süsinik-nanotoru "rullib kokku" grafeenitasandi, "koondub" algse 2D-tasandi suurepärane jõudlus toru telje suunas. See tähendab, et aksiaalne suund on koht, kus süsiniknanotoru on kõige tugevam, juhtivaim ja kõige paremini soojust edasi kandev.
| Toimivuse mõõdik | Süsiniknanotoru (1D) | Grafeen (2D) |
|---|---|---|
| Tõmbetugevus | Üksik toru võib ulatuda 50-200 GPa | Umbes 130 GPa |
| Youngi moodul | 1-5 TPa | Umbes 1,1 TPa |
| Soojusjuhtivus | Ligikaudu 3000 W/m·K (aksiaalne) | Umbes 5000 W/m·K (-tasapinnal) |
| Elektrijuhtivus | Metallik/pooljuht timmitav | Null-ribavahe poolmetall |
| Konkreetne pindala | Kõrge | Äärmiselt kõrge (2630 m²/g) |
| Juhtimise suund | Ühemõõtmeline (aksiaalne) | Kahe-mõõtmeline (-tasapinnas) |
2.2 Erinevad rakenduste fookused
Süsinik-nanotorude domeen:
Vajadus ühe-mõõtmeliste juhtivate võrkude järele (liitiumaku juhtivad lisandid)
Aksiaalne mehaaniline tugevdus (kuulikindlad vestid, kosmosesõiduki konstruktsioonikomponendid)
Ühe-dimensiooniline elektronide transport (nanotransistorid)
Grafeeni domeen:
Suure pindalaga-läbipaistvad juhtivad kiled (puuteekraanid)
Tasapinnaline tõhus soojuse hajumine- (kiibi soojusjuhtimine)
Äärmiselt suure eripinnaga adsorptsioon (superkondensaatorid)
3. "1+1>2": süsiniknanotorude + grafeeni sünergiline efekt
Järeldus:Kui süsiniknanotorusid ja grafeeni kasutatakse koos, võivad need moodustada "juhtivast võrgust + juhtivast platvormist" sünergilise struktuuri, saavutades jõudluse, mida kumbki materjal üksi ei saavuta.
Huvitav on see, et kuigi süsiniknanotorudel ja grafeenil on mõlemal oma tugevad küljed, võivad need kaks komposiitmaterjali täiendada teineteise nõrkusi ja kombineerida oma eeliseid.
Süsiniknanotorusid võib vaadelda kui ühedimensioonilist "juhtivat võrgustikku" -, mis on pikk ja õhuke, mis on võimeline põimuma nagu ämblikuvõrk, moodustades radu kolme-mõõtmelises ruumis. Grafeeni võib vaadelda kahe-"juhtiva platvormina" - laia ja tasapinnalisena, mis suudab pakkuda suuri-alaseid kiireid-elektronikanaleid nagu ruut.
Kaks hiljutist uuringut näitavad täielikult seda sünergilist mõju:
1. juhtum: Ida-Hiina teaduse ja tehnoloogia ülikooli professor Wang Jiannongi töörühma uurimustöö
Uuringus leiti, et grafeenilehtede süsinik-nanotorukiledeks interkaleerimisel saavutati:
| Toimivuse mõõdik | Saavutatud väärtus |
|---|---|
| Tõmbetugevus | 6,67 GPa |
| Soojusjuhtivus | 753.23 W/m·K |
| Elektromagnetilise varjestuse efektiivsus | 35 dB |
Ühtlane grafeeni interkalatsioon tugevdas liidese koormuse ülekandmist ja elektronide / fonoonide juhtivust, muutes komposiitkiled mehaaniliste ja transpordiomaduste poolest paremaks kui varem seotud materjalid.
Juhtum 2: Lahuse segamise meetodil valmistatud komposiitmaterjal
Hiina Põhjaülikooli uuringud näitasid, et grafeeni/süsinik-nanotoru komposiitmaterjali puhul, mis on valmistatud lahuse segamise{0}}keemilise redutseerimise meetodil optimaalse massisuhtega (1:1):
| Toimivuse mõõdik | Väärtus | Parendamine vs puhas grafeen |
|---|---|---|
| Elektrijuhtivus | 147.3 S/m | Suurenes 87,4% |
| Tõmbetugevus | 165,8 MPa | Suurenes 42,3% |
Mehhanismi analüüs:Grafeen 2D juhtiv platvorm ja süsinik-nanotoru 1D transpordikanal täiendavad üksteist, saavutades samaaegselt elektriliste, termiliste ja mehaaniliste omaduste paranemise.
4. Süsiniknanotorud: Tanfengi uue materjali tootemaatriks
Järeldus:Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. keskendub süsinik-nanotorude (CNT) uurimis- ja arendustegevusele ning tootmisele, mille tooted hõlmavad kõiki ühe-seinaga, mitme-seinaga ja funktsionaliseeritud torusid. Puhtus ja partii stabiilsus vastavad juhtivate akutootjate nõuetele.
Pikas tööstuslikus võidujooksus, kus süsiniknanotorud "vaikselt kasvavad", on Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. tõusev jõud, mida ei saa eirata.
4.1 Põhitoote maatriks
Tanfeng New Materiali tootesari hõlmab kõiki süsiniknanotorusid:
| Toote tüüp | Põhiparameetrid | Omadused |
|---|---|---|
| Mitme{0}}seinaga süsiniknanotoru (MWCNT) | Puhtus 97,5% või suurem, metallide lisandid 0,5 ppm või vähem | CVD tootmine, kitsa toru läbimõõdu jaotus, partii CV<5% |
| Ühe{0}}seinaga süsiniknanotoru (SWCNT) | Kõrge konsistents | Toru läbimõõt 1-6 nm, vähe defekte |
| Funktsionaliseeritud süsiniknanotoru | -COOH/-OH kohandatav | Parandab hajutatavust |
4.2 Peamised tehnilised näitajad
Tanfeng New Materiali peamised tootmisnäitajad:
| Parameeter | Spetsifikatsioon |
|---|---|
| Puhtus | 97,5% või suurem |
| Metalli lisandid | Fe, Co, Ni jääk Vähem kui 0,5 ppm või sellega võrdne |
| Kuvasuhe | Suurem või võrdne 500:1 |
| Partii järjepidevus | CV<5% (coefficient of variation) |
Tööstusharu aruanded näitavad, et nii kõrgetele standarditele vastavatel toodetel on turul tugev konkurentsivõime.
4.3 Rakenduslahendused
Tanfeng New Material mitte ainult ei paku pulbrit, vaid pakub ka täielikke rakenduslahendusi:
Juhtum 1: toiteaku juhtiv lisand
Teise{0}}põlvkonna mitme-seinaga süsinik-nanotoru juhtiva pasta pakkumine juhtivatele kodumaistele akupatareide ettevõtetele, mida kasutatakse koos juhtiva tahmaga. 0,8% lisakoguse korral:
Elektroodide lehe takistust vähendatakse 30%
Temperatuuri tõus 2C tühjenemise ajal väheneb 5 kraadi võrra
Masstootmise tarnimine on kestnud juba palju aastaid
2. juhtum: Euroopa autotööstuse anti-staatilised kütusetorud
PA12 kandja mitme-seinaga süsinik-nanotoru põhisegu pakkumine Euroopa autoosade tarnijatele, mis vastab PA12 kütusetorude anti-staatilistele nõuetele.
4.4 Seitse strateegilist rakendusjuhist
Tanfeng New Material keskendub oma süsinik-nanotorude industrialiseerimisele seitsmele põhisuunale:
| Suund |
|---|
| Uued energiasõidukid |
| Täiustatud polümeermaterjalid |
| Elastomeerid |
| Lennundus |
| Raudteetransiit |
| Tuuleenergia |
| Vesiniku energia salvestamine |
Ettevõte soovib saada "arenenud materjalide pakkujaks ja tehniliste teenuste pakkujaks".
5. Tulevikutrendid: kumb võidab, süsiniknanotorud või grafeen?
Järeldus:Nende kahe vahel ei ole "elu{0}}või-surm" konkurentsisuhe, vaid pigem võidavad-võitjad "igaüks võtab oma tugevused" ja "koostöö sünergia".
Naastes küsimuse juurde süsinik-nanotorude ja grafeeni vahelise seose juurde, ei pruugi lõplik vastus olla "kumb on parem", vaid pigem "kumb mille jaoks sobib".
| Rakenduse stsenaarium | Veel soovitatav materjal | Põhjus |
|---|---|---|
| Liitiumaku juhtiv lisand | Süsiniknanotoru | 1D-võrk, pikamaa{1}}juhtivus, juba laialdaselt kasutatav |
| Kiibi soojusjuhtimise materjal | Grafeen | Tasapinnaline soojusjuhtivus 5000 W/m·K, suurem |
| Paindlik läbipaistev juhtiv kile | Trend on kombineeritud | CNT võrk + grafeenkile täiendavad üksteist |
| Lennunduse konstruktsioonikomponendid | Süsiniknanotoru tugevdamine | Selge eelis aksiaalses tugevuses |
| Paindlik liitium{0}}ioonaku | Mõlema kombineeritud kasutamine | CNT kui skelett, G kui juhtiv substraat |
| EMI elektromagnetiline varjestus | Komposiitkile | 35 dB varjestuse efektiivsus, parim üldine jõudlus |
Sellel "süsinik-nanotorude ja grafeeni kooskõlastatud arendamise teel" on Tanfeng New Materiali valik selgelt - keskendunud süsiniknanotorudele, tuginedes selle küpsele industrialiseerimisvõimele, et pakkuda kvaliteetseid süsiniknanotorudest valmistatud tooteid ja lahendusi sellistele strateegilistele tööstusharudele nagu uus energia ja kosmosetööstus.
Samal ajal kui akadeemiline arutelu süsinik-nanotorude ja grafeeni vahel jätkub, "söödetakse" Hiina uutes energiasõidukite tehastes süsinik-nanotoru juhtivat pastat massiliselt katmismasinatesse. Euroopa autoosade tootmisliinidel süstitakse süsinik-nanotoru põhisegu vormidesse. Hiina tootjad, nagu Tanfeng New Material, on just selle "makroskoopilist maailma muutvate mikroskoopiliste materjalide" tööstusliku ümberkujundamise mootorid.