Kui head on süsiniknanotorude elektri- ja soojusjuhtivus? Andmetel põhinev tõeline toimivuse analüüs
Materjaliteaduses on vähesed ained teadlasi aastakümneid köitnud nagu süsiniknanotorud. Need torukujulised struktuurid, mis koosnevad täielikult süsinikuaatomitest ja mille läbimõõt on vaid üks kümnendik-juuste läbimõõdust, täidavad peaaegu kõik ootused järgmise-põlvkonna supermaterjalidele. Vestlustel klientidega tekib alati üks küsimus: kui hea on süsinik-nanotorude elektri- ja soojusjuhtivus? Täna vastame sellele küsimusele andmete ja faktidega.
1. Elektrijuhtivus: elektronid kihutavad mööda kiirteed
CNT-de elektrilise jõudluse mõistmiseks tuleb kõigepealt hinnata nende struktuuri. Süsinikuaatomid seostuvad sp² hübridisatsiooni teel-tugevamate teadaolevate keemiliste sidemete hulgas. Selles konfiguratsioonis saavad elektronid liikuda kiiresti mööda toru seina praktiliselt takistusteta – nähtust nimetatakse ballistiliste elektronide transpordiks.
1.1 Silmatorkavad numbrid: kümme tuhat korda rohkem kui vask
Nii teoreetilised kui ka eksperimentaalsed tulemused on silmatorkavad: teatud suundades võivad CNT-d näidata elektrijuhtivustkümme tuhat korda kõrgem kui vask. Toatemperatuuril võib SWCNT-de elektrijuhtivus ulatuda kuni 10³ S/cm. Mida see tähendab? Kui tavapärased juhtmed on nagu konarlikud maateed, kus elektronidel on raske liikuda, siis CNT-d on nagu kaheksarajalised kiirteed, mis võimaldavad elektronide takistamatut liikumist.
Cambridge'i ülikoolis läbiviidud meta-analüüsis uuriti 1304 andmepunkti 266 eelretsenseeritud dokumendist. Leiud näitasid, et legeeritud, joondatud vähesed-seintega CNT-d (FWCNT-d) esindavad-parima toimivusega kategooriat, kusjuures happe-kedratud kiud on eriti suure elektrijuhtivusega. Kuigi makroskoopiliste CNT-sõlmede elektrijuhtivus ei ole veel täielikult vastanud vase omale (praegu umbes kuuendik vase omast), on CNT-de erijuhtivusel (juhtivuse ja tiheduse suhe) juba märkimisväärsed eelised.
1.2 Miks on CNT-d nii hästi juhtivad?
Seletus peitub kvantmehaanikas. Tavalistes juhtides põrkuvad elektronid liikumisel pidevalt kokku, tekitades takistuse. CNT-des võivad elektronid nende üliväikeste mõõtmete ja täiusliku struktuuri tõttu liikuda "ballistiliselt" ilma soojuse tekketa peaaegu üldse. C-C sidemete sp² hübridisatsioon võimaldab elektronidel CNT pinnal liikuda kiirusega, mis läheneb 1/300 valguse kiirusest, kusjuures elektronide liikuvus ulatub 20 000 cm²/(V·s).
Lisaks võivad CNT-d sõltuvalt nende kiraalsusest omada kas metallist või pooljuhtivat käitumist. See häälestatav omadus avab tohutud võimalused nende kasutamiseks elektroonikaseadmetes. 2013. aastal töötas Stanfordi ülikool edukalt välja täielikult CNT-dest ehitatud keskprotsessori prototüübi. Kuigi selle töösagedus oli sel ajal vaid 1 kHz, tõestas see selle lähenemisviisi teostatavust.
2. Soojusjuhtivus: ületab teemanti
Kui elektrijuhtivus on muutnud CNT-d elektroonika jaoks väga atraktiivseks, on nende soojuslik jõudlus soojusjuhtimise eksperte erutanud.
2.1 Teoreetiline piir: 5800 W/(m·K)
Teoreetilised ennustused näitavad, et CNT-del on tõenäoliselt suurem soojusjuhtivus kui teemandil, mis võib muuta need kõige soojusjuhtivamaks materjaliks maailmas. Mis on konkreetsed numbrid? SWCNT-d võivad saavutada soojusjuhtivuse5800 W/(m·K), samas kui MWCNT-d saavutavad umbes 3000 W/(m·K). Võrdluseks: teemant-parima looduslikult esineva soojusjuhi-soojusjuhtivus on ligikaudu 2200 W/(m·K). Teisisõnu, CNT-d suudavad soojust juhtida rohkem kui kolm korda paremini kui teemant.
2.2 Teooriast praktikani
Muidugi on üksiku CNT soojusjuhtivuse mõõtmine äärmiselt keeruline. Üksikute MWCNT-de varajased mõõtmised andsid väärtused umbes 3000 W / (m · K), mis on kooskõlas teoreetiliste ennustustega.
Oluline on selgitada, et kui CNT-d on kokku pandud makroskoopilisteks materjalideks, näiteks kiledeks või kiududeks, väheneb üldine soojusjuhtivus märkimisväärselt. Põhjus on lihtne: torude -to-kontaktid ja materjalis olevad tühimikud takistavad soojusvoogu. Näiteks kui SWCNT-d pressitakse lahtiseks leheks, on mõõdetud ruumitemperatuuri soojusjuhtivus ainult umbes 35 W/(m·K). See ei tähenda, et CNT-d ise halvasti toimiksid; pigem tõstab see esile, et nanomõõtmeliste erakordsete omaduste ülekandmine makroskoopilistele sõlmedele jääb turustamise peamiseks väljakutseks.
2.3 Soojusjuhtivuse mehhanism: fonoonide roll
Soojusjuhtivust CNT-des reguleerivad peamiselt fonoonid. Uuringud näitavad, et fononite keskmine vaba tee CNT-des on umbes 0,5–1,5 μm. Sp² struktuur hõlbustab fononi transporti, andes CNT-dele nende silmapaistvad soojusomadused. See tõhus soojuse hajutamise võime on leidnud praktilisi rakendusi. USA riikliku standardite ja tehnoloogia instituudi (NIST) teadlased on isegi välja töötanud MWCNT-põhise katte, mis tänu CNT-de kiirele soojuse hajumisele ja kaitsva söekihi moodustumisele ekstreemse kuumuse käes vähendab polüuretaanvahu süttivust 35%.
3. Mida need omadused praktikas teha saavad?
Muljetavaldavad teoreetilised andmed peavad lõpuks muutuma praktilisteks rakendusteks. CNT-de kasutamine juhtivate lisanditena liitium-ioonakudes on väljakujunenud näide.
3.1 Juhtiv võrk liitium-ioonakudes
Liitium{0}}ioonaku katoodmaterjalides võib ligikaudu 1,5% CNT-koormusega saavutada sama efekti kui 3% tavalise tahma puhul. Veelgi olulisem on see, et CNT-d loovad akolmemõõtmeline juhtiv võrk. Ühemõõtmelised CNT-d koos aktiivsete osakestega moodustavad 3D-võrgu, mis tõhustab tõhusalt elektronide transporti aktiivse materjali ja voolukollektori vahel. Näiteks liitiummangaanoksiidi (LiMn₂O4) materjali puhul saavutas MWCNT-de lisamine 20 tsükli järel võimsuse säilimise 99%, puhta materjali puhul aga ainult 90%.
Liitiumkoobaltoksiidi (LiCoO₂) süsteemide jõudlus on sama muljetavaldav. 2C kiirusel näitavad LiCoO₂/MWCNT elemendid minimaalset võimsuse tuhmumist, samas kui tahma või süsinikkiude sisaldavate rakkude võimsuskadu on 20 tsükli järel vastavalt 10% ja 30%. Põhjus on arusaadav: CNT-de moodustatud juhtiv võrk hõlbustab laengu ülekandmist ja vähendab impedantsi.
3.2 Lisaks liitium-ioonakudele
Lisaks akudele tungivad CNT-d paljudesse muudesse valdkondadesse:
Lennundus: MIT-is välja töötatud CNT-kile võib kuumutada ja kõvendada komposiitmaterjale, tarbides vaid 1% traditsiooniliste autoklaavide jaoks vajalikust energiast, valmistades samal ajal võrreldava tugevusega komponente.
Elektroonika: CNT{0}}-põhised transistorid on väiksemad ja juhtivamad ning neil on potentsiaali räni järgi saada.
Energia salvestamine ja soojusjuhtimine: Uued rakendused superkondensaatorites, termilise liidese materjalides ja muudes valdkondades on kiiresti esile kerkimas.
4. Shandong Tanfeng kommertsialiseerimisprotsessis
Pärast teoreetiliste andmete ja tipptasemel{0}}rakenduste arutamist pöördugem tagasi praktilise tegelikkuse juurde. Ükskõik kui suurepärane materjal ka poleks, jääb see tööstuse jaoks illusiooniks, kui seda ei ole võimalik toota ega usaldusväärselt tarnida.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd.on oluline osaline kodumaises CNT kommertsialiseerimisprotsessis. Kuna Shandong Tanfeng on tehnoloogiale{1}} orienteeritud CNT-de uurimis- ja arendustegevusele, tootmisele ja müügile pühendunud ettevõte, hõlmab Shandong Tanfengi tooteportfell MWCNT pulbrit, SWCNT pulbrit, CNT juhtivat pastat, CNT juhtivat põhisegu ja räni{2}}süsinikanoodi materjale.
Ettevõttel on enam kui kümme aktiivset patenti, mis on seotud CNT-de, räni{0}}süsinikanoodi materjalide ja intelligentsete seadmete tootmisega. Need patenteeritud tehnoloogiad tagavad tehnilise töökindluse alates laboriarendusest kuni masstootmiseni. Praegu kasutatakse Shandong Tanfengi tooteid laialdaselt seitsmes suuremas sektoris: uued energiasõidukid, täiustatud polümeerkomposiidid, elastomeerid, kosmosetööstus, raudteetransport, tuuleenergia tootmine ja vesinikuenergia salvestamine.
CNT pulbrite jaoks on Shandong Tanfeng välja töötanud mitu klassi, sealhulgas TF-210, TF-300, TF-400 ja TF-500, mille puhtus on suurem või võrdne 99% ja pikkusega 5–15 μm, mis vastavad erinevate klientide protsessinõuetele. Olenemata sellest, kas vajate ülima jõudluse saavutamiseks suure kuvasuhtega MWCNT-sid või SWCNT-sid, sobivad lahendused on saadaval.
Erinevalt tarnijatest, kes pakuvad ainult pulbrit, pakub Shandong Tanfeng ka CNT juhtivaid pastasid, mis aitavad alljärgnevatel klientidel vältida hajutamiseks tavaliselt vajalikku protsessi uurimist. See on eriti väärtuslik liitium-ioonakude tootjate jaoks, kuna CNT-de ühtlane hajutamine suspensioonidena on endiselt tööstuses tunnustatud tehniline väljakutse. Kasutades oma-oma väljatöötatud dispersioonitehnoloogiat, tagab Shandong Tanfeng ühtlase partii kvaliteedi, võimaldades klientidel tõeliselt "kasutada otse kotist väljas".
5. Realistlik vaatenurk: esituse ja tegelikkuse vahel
Materjaliteadlaste ja inseneridena peame hoidma pilku nii tähtedel kui ka maapinnal. CNT-de elektri- ja soojusjuhtivus on tõepoolest teoreetilised "laed", kuid praktilistes rakendustes tuleb tunnistada mitmeid fakte:
Esiteks ei võrdu nanomõõtmelised omadused makroskoopiliste omadustega.Üksiku CNT soojusjuhtivus võib olla 5800 W/(m·K), kuid CNT-dest valmistatud makroskoopiline kile võib saavutada vaid mõne kümnendi. Selle põhjuseks ei ole CNT-de endi puudused, vaid pigem torude -toru kontaktid ja tühimikud makroskoopilistes sõlmedes, mis põhjustavad märkimisväärset soojustakistust.
Teiseks on hajutamine endiselt pidev väljakutse.CNT-del on suur pindala ja tugevad van der Waalsi jõud, mis muudab need aglomeratsiooniks. Ilma korraliku hajutatuseta ei saa realiseerida isegi kõrgeimat elektrijuhtivust. Shandong Tanfengi pakutavad -dispergeeritud pastad on mõeldud just selle valupunkti leevendamiseks.
Kolmandaks peab materjali valik vastama rakendusele.Nõuded juhtivatele lisanditele erinevad liitiumraudfosfaat (LFP) akude ja nikkel{0}}koobalt-mangaan (NCM) patareide, aga ka räni-süsinikanoodide ja grafiitanoodide vahel. Tavapäraste energia-tüüpi elementide jaoks pakuvad MWCNT-d parimat kulu{5}}tasuvust. Kiirlaadimise-või räni-anoodisüsteemide jaoks võib vaja minna SWCNT-sid. Shandong Tanfengi mitme{10}klassi tootemaatriks on loodud selleks, et pakkuda klientidele paindlikkust vastavalt nende vajadustele.
Mitu aastat tagasi hoidis insener tööstuse näitusel CNT proovi ja küsis minult: "Selle materjali andmed näevad nii muljetavaldavad. Miks me ei suuda sellega ideaalseid tulemusi saavutada?" Toona vastasin: "Materjali omadused ja toote toimivus on kaks erinevat asja. Esimene sõltub loomupärasest võimekusest, teine aga oskusest."
Seda seisukohta hoian ma tänaseni. CNT-de loomuomane võime on kahtlemata{1}}need juhivad elektrit paremini kui vask ja soojust paremini kui teemant. Kuid selle loomupärase võime muutmiseks stabiilseteks ja usaldusväärseteks toodeteks peavad sellised ettevõtted nagu Shandong Tanfeng-, millel on patenteeritud tehnoloogiad, tootmiskogemus ja kogutud rakendusteadmised-, et muuta "võimekus" pidevalt "oskusteks".
Kui otsite usaldusväärset CNT-pulbrite või elektrit juhtivate pastade tarnijat või soovite uurida, kuidas CNT-sid teie toodetes kasutada, võtke ühendust Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd.-ga. Arutagem, kuidas see "supermaterjal" teie tooteid tugevdab.