Süsiniknanotorud on ühed kergemad teadaolevad materjalid, mille tihedus on vaid 1,3-2,1 g/cm³, mis on palju madalam kui terasel (7,9 g/cm³) ja alumiiniumil (2,7 g/cm³). See tähendab, et sama mahu puhul on süsiniknanotorude kaal vaid 1/6 terasest ja 1/2 alumiiniumist. Veelgi hämmastavam on see, et kuigi süsiniknanotorud on alumiiniumist kergemad, on nende tõmbetugevus 100 korda suurem kui terasel - kombinatsioon "kergest, kuid samas tugevast", mis on looduses äärmiselt haruldane. Süsiniknanotoru komposiidid on juba saavutanud 40% kaalulanguse ja 20–25% kütusesäästlikkuse paranemise lennu- ja autotööstuses. Shandong Tanfeng New Material edendab selle "kerge kui sulg, tugev kui teras" supermaterjali industrialiseerimist.
1. Kui kerged on süsiniknanotorud? Numbrikomplekt ütleb teile
Järeldus:Süsiniknanotorude tihedus on ligikaudu 1,3-2,1 g/cm³, mis on alumiiniumist kergem ja ainult 1/6 terasest.
Esiteks vaatame kõvasid andmeid. USA energeetikaministeeriumi laboratooriumi akadeemilise kirjanduse kohaselt on süsinik-nanotoru (CNT) komposiitide tüüpiline tihedus 1,3 g/cm³. Seda suurusjärku kinnitavad ka kodumaised tooteandmed - mõnede kaubanduslike toodete tegelik tihedus on ligikaudu 2 g/cm³, kraanitihedus vaid 0,18 g/cm³. Kokkuvõtteks võib öelda, et süsinik-nanotoru pulbri näiv tihedus jääb ligikaudu vahemikku 1,3–2,1 g/cm³.
Mida see "kergus" tähendab? Võrdleme seda suure jõudlusega{0}}metallidega, mida me igapäevaelus tunneme:
| Materjal | Tihedus (g/cm³) | Süsiniknanotorud vs. see materjal |
|---|---|---|
| Süsinik-nanotoru materjal | 1.3-2.1 | --Baastase-- |
| Alumiinium (alumiiniumisulam) | 2.7 | CNT-d on ligikaudu 30–50% kergemad |
| Titaan (titaanisulam) | 4.5 | CNT-d on ligikaudu 56–71% kergemad |
| Teras | 7.9 | CNT-d on ligikaudu 70–80% kergemad, st sama mahu puhul on CNT-de kaal vaid 1/6 kuni 1/4 terase omast |
Toon intuitiivse näite: kui tavaline auto rattarumm on valmistatud süsinik-nanotoru komposiitmaterjalist, võib selle kaal langeda enam kui 20 džinilt (umbes 10 kg) 5–6 džinile (umbes 2,5–3 kg). Saate seda hõlpsalt ühe käega tõsta.
2. Miks on süsiniknanotorud nii kerged? Saladus peitub nende "nanomõõtmelises figuuris"
Järeldus:Süsinik-nanotorudele iseloomulik ülikerge valgus pärineb nende ainulaadsest mikrostruktuurist - süsinikuaatomid on paigutatud kuusnurkse kärgstruktuuri kujul, moodustades ringi, moodustades õõnsa "nanomõõtmelise toru", mille sisemus on peaaegu täiesti tühi.
Süsinik-nanotoru on sisuliselt "toru" ja nanoskaalas toru.
Selle mikrostruktuur on järgmine: süsinikuaatomid on omavahel ühendatud kovalentsete sidemete kaudu, moodustades stabiilse kuue{0}liikmelise tsüklilise grafeenilehe ja seejärel "rullitakse" see grafeenileht silindriks. See silinder on õõnes - sees pole aatomeid, on ainult õhk või vaakum. Ühe kihi rullimine loob ühe-seinaga süsiniknanotoru (SWCNT); mitme kihi rullimine loob mitme seinaga süsinik-nanotoru (MWCNT), mille kihtide vahe on umbes 0,34 nm.
Materjali kaalu mõõtmise võti: tihedus=mass / maht
Metallid on täis aatomeid, tihedalt pakitud, seega on nad rasked. Süsiniknanotoru kest koosneb süsinikuaatomitest (süsinikuaatomid on palju kergemad kui raua- või alumiiniumiaatomid), sisemus on tühi ja kest on äärmiselt õhuke -, seega on ruumalaühikus väga vähe materjali, seega on see loomulikult kerge.
Kasutades köögi analoogiat:Metallist spaatel on tugev ja raske; õõnes joogikõrs on kerge, kuna selle pealispinnal on ainult õhuke sein. Süsiniknanotoru on "õõnsa joogikõrre" molekulaarne versioon.
3. Tõeliselt hämmastav asi pole mitte "kergus", vaid kombinatsioon "kerge, kuid tugev"
Järeldus:Süsiniknanotorude eritugevus ulatub 500 MPa·cm³/g-ni, ületades tunduvalt traditsiooniliste metallide, nagu teras, alumiinium ja titaan, oma, muutes selle teadaolevate tehniliste materjalide hulgas üheks kõrgemaks.
Kui see oleks ainult "kerge", poleks see eriline - vahtplast on samuti väga kerge, kuid puruneb kergesti. Süsiniknanotorud teeb tõeliselt hämmastavaks see, et kuigi nad on kerged kui õhk, on need ka uskumatult tugevad.
Nagu me eelmises artiklis üksikasjalikult analüüsisime: süsiniknanotorude tõmbetugevus võib ulatuda 50-200 GPa-ni, mis on 100 korda suurem kui terasel. Kui need andmed korrutada "kerguse" mõõtmega, saame mõõdiku, mis ajab insenerid hulluks – spetsiifiline tugevus (tugevus ÷ tihedus).
Vaadake seda võrdlusandmete kogumit:
| Materjal | Tihedus (g/cm³) | Tõmbetugevus (MPa) | Eritugevus (MPa·cm³/g) |
|---|---|---|---|
| Süsinik-nanotoru komposiit | 1.3 | ~650 | 500 |
| Alumiinium (7075-T6) | 2.7 | 572 | 212 |
| Titaan (Ti-6Al-4V) | 4.5 | 950 | 211 |
| Teras (A36) | 7.9 | 400 | 51 |
Mida suurem on eritugevus, seda suurem on antud raskuse{0}}kandevõime. Süsiniknanotorude (500) eritugevus on peaaegu 10 korda suurem terase (51) omast - sama kaaluga süsiniknanotorudest valmistatud tross suudab taluda ligi 10 korda suuremat koormust kui terastross.
Seetõttu näevad teadlased ette süsinik-nanotorude kasutamist kosmoselifti ehitamiseks -, sest ainult materjal, mis on "kerge nagu sulg, tugev kui teras", võib luua kaabli, mis ulatub Maalt kosmosesse.
4. Tööstusrevolutsioon, mille tõi "kergus": 40% kaalulangus, 25% kütusesääst
Järeldus:Süsinik-nanotorude komposiidid on juba saavutanud kuni 40% kaalulangusefekti lennunduses ja autotööstuses, mis tähendab otseselt 20–25% kütusesäästlikkuse paranemist.
"Kergus" ei ole ainult numbrimäng; see muudab tööstusmaastikku käegakatsutavalt.
Rahvusvahelises akadeemilises ajakirjas ilmunud ülevaateartikli järgiMaterjaliteadus ja tehnika: R, süsinik-nanotoru komposiidid on näidanud üles suurt potentsiaali lennunduses ja autotööstuses: konstruktsioonikomponentide kaalu saab vähendada kuni 40%, säilitades või isegi parandades mehaanilisi omadusi.
Vaatame tegelikke{0}}rakenduste näiteid:
| Taotlusjuhtum | Süsiniknanotoru komposiidi roll | Tegelik mõju |
|---|---|---|
| Boeing 787 Dreamliner | Kere konstruktsioonikomponendid | Kütusesäästlikkuse paranemine 20-25%. |
| BMW i3 elektrisõiduk | Kerepaneelid | 30% kaalulangus |
| KIST süsiniknanotoru mootor (Korea) | Mootori mähise poolid | Mootori massi vähenemine ligikaudu 25%. |
Eriti väärib mainimist Boeing 787 juhtum. See "Dreamliner" kasutab laialdaselt täiustatud komposiitmaterjale (sealhulgas süsinik-nanotoruga{2}}tugevdatud materjale), mis mitte ainult ei saavuta märkimisväärset kaalulangust, vaid võimaldab ka sellel suurel reisilennukil sarnaste mudelitega võrreldes üle 20% kütust säästa. Korea Teaduse ja Tehnoloogia Instituut (KIST) astus isegi sammu edasi ja ehitas otse mootori ilma metallpoolideta, - asendades vasktraadi süsinik-nanotoru traadiga, mille tulemuseks oli mootori kaal vaid üks viiendik vaskmootori omast.
Lennuki jaoks:Kütusesääst=lendab kaugemale + madalamad piletihinnad + vähem süsinikdioksiidi heitkoguseid.
Elektrisõiduki jaoks:Kaalu vähendamine=pikem vahemaa + kiirem kiirendus + väiksem aku.
Kergus on kuld; kergus on konkurentsivõime.
5. Shandong Tanfeng Uus materjal: "kerguse" muutmine ostetavateks toodeteks
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. tegeleb süsinik-nanotorude ülikergete omaduste mass-tootmise ja tootmisega, teenindades tipptasemel-tootmistööstusi, nagu lennundus ja uued energiasõidukid.
Süsiniknanotorude muutmine laboris "imematerjalist" tööstuslikuks tooraineks, mida insenerid saavad tellida, nõuab ettevõtteid, kes valdavad tõeliselt laiaulatuslikku-tootmistehnoloogiat.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. on täpselt selline ettevõte.
Mida see teeb?
Ettevõte keskendub mitme-seinaga süsiniknanotorude (MWCNT), ühe-seinaga süsiniknanotorude (SWCNT), funktsionaliseeritud süsiniknanotorude, juhtivate pastade ja eel-dispergeeritud toodete uurimis- ja arendustegevusele ning tootmisele. Toote puhtus on suurem või võrdne 97,5%, Fe-, Co- ja Ni-katalüsaatorite jääklisandid on alla 0,5 ppm või sellega võrdsed, toru läbimõõdu jaotus on kitsas ja partiide -to{7}}konsistentsi CV on<5%.
Selle põhipädevused:
| Eelise mõõde | Konkreetne sisu |
|---|---|
| Põhiprotsess | gaasi{0}}faasi (CVD) tootmine; toru läbimõõt reguleeritav, partiid stabiilsed |
| Tootemaatriks | Täielik ühe-seinaga/mitme{1}}seinaga kaetud; kohandatav funktsionaliseerimine (-COOH, -OH jne) |
| Rakenduse juhised | Seitse peamist valdkonda, sealhulgas uued energiasõidukid, lennundus, raudteetransiit, tuuleenergia, vesinikuenergia salvestamine |
| Ainulaadne võime | Kogu ahel on sõltumatult juhitav katalüsaatorist lõpptooteni |
| Tõestatud tulemused | Pakub juhtivatele kodumaistele toitepatareide ettevõtetele juhtivat pastat, mis on juba saavutanud 30% elektroodide lehe takistuse vähenemise |
Tanfeng New Material pakub Euroopa autoosade tarnijatele ka PA12 kandja mitme-seinaga süsinik-nanotoru põhisegu, mis vastab kütusetorude rangetele anti-staatilistele nõuetele. Kui sellised ettevõtted nagu BMW ja Boeing vajavad suure jõudlusega-kergeid materjale, muutuvad süsiniknanotorud kaugest laborikontseptsioonist Hiina ettevõtete nagu Tanfengi riiulitel käegakatsutavateks toodeteks.
Kokkuvõte: Mida tähendab süsiniknanotorude "kergus"?
| Perspektiiv | Põhijäreldus |
|---|---|
| Andmed | Tihedus 1,3–2,1 g/cm³, ainult 1/6 terasest, alumiiniumist kergem |
| Põhimõte | "Õõnes nanomõõtmeline toru" struktuur, õhukese{0}}seinaga ja õõnes sisemus, loomulikult kerge |
| Esitus | Eritugevus 500 MPa·cm³/g, peaaegu 10 korda suurem terasest, kerge, kuid tugev |
| Tööstus | Saavutab 40% kaalulanguse ja 25% kütusesäästu; juba kontrollitud Boeing 787 ja BMW i3 puhul |
| Reaalsus | Sellised ettevõtted nagu Shandong Tanfeng New Material toodavad seda mass{0}}tööstuslikuks kasutamiseks |
Süsiniknanotorude "kergus" pole kunagi olnud lihtsalt madala{0}}tiheduse arv. See seisneb suurima koormuse kandmises väikseima massiga, kõige tugevama jõudluse saavutamises kõige väiksema materjaliga ja suurima efektiivsuse loomises kõige kergemate komponentidega.
Kui Shandong Tanfeng New Material pidevalt "puhub" seda oma tehases saadavat musta pulbrit -, mis on õhust kergem (koputatud olekus), kuid tugevam kui teras -, annab see märku, et materjalide maailma "kerge ajastu" on tõesti kätte jõudnud.