Kumb on "kõvam", kas süsinik-nanotorud (CNT) või teemant? Vastus sõltub sellest, kas avaldate sellele survet. Mohsi kõvaduse osas on need kaks võrreldavad - süsiniknanotorude kõvadus on võrreldav teemandi omaga. Vickersi kõvaduse osas on looduslikud süsiniknanotorud (185,1 HV) palju madalamad kui teemant (suurusjärgus 10 000 HV). Süsiniknanotorude külmpressimisel juhtub aga ime: need võivad moodustada ülikõva faasi, mille mahtmoodul on 447 GPa, mille kõvadus tõuseb algselt 185,1 HV-lt 241 GPa-le (24 100 HV), mis on töötlemata teemandi omast neli korda suurem (ligikaudu 60 GPa). See tähendab: tavatingimustes on teemant kõvem; pärast kõrgsurvetöötlust võivad süsinik-nanotorud ületada teemandi ja saada ülikõvade materjalide kuningaks. Shandong Tanfeng New Material pakub kõrge-puhtusastmega mitme-seinaga/üheseina{19}}süsinik-nanotorusid, mis on ideaalseks tooraineks selliste suure jõudlusega{20}}uuringute jaoks.
1. Esmalt määratlege standard: kahte tüüpi "kõvadus", kaks vastust
Järeldus:Kumb on "kõvam", süsiniknanotorud või teemant? See sõltub sellest, millist tüüpi kõvadust te mõõdate - Mohsi kõvadus, Vickersi kõvadus ja mahtmoodul pärast ultra-kõrgsurvefaasi teisendust, annavad täiesti erinevad vastused.
Mõistel "kõvadus" on materjaliteaduses vähemalt kolm tähendust. Erinevad mõõtmismeetodid ja erinevad tingimused annavad täiesti erinevad järeldused:
| Kõvaduse tüüp | Mõõtmismeetod | Teemantide tüüpiline väärtus | Süsiniknanotoru tüüpiline väärtus |
|---|---|---|---|
| Mohsi kõvadus | Kraapige mineraale üksteise vastu | 10 (kõrgeim) | Võrreldav teemandiga |
| Vickersi kõvadus (normaalne olek) | Teemantsisene sissepressimine | Suurusjärgus 10 000 HV (ligikaudu 100 GPa) | 185,1 HV (komposiitmaterjal) |
| Vickersi kõvadus (kõrg{0}}rõhu faas) | Mõõdetud pärast külmpressimist | Umbes 100-150 GPa | 241 GPa (CNT-dest valmistatud nanovõidetud teemantkimbud) |
| Massmoodul | Vastupidavus survele | Umbes 440-442 GPa | Külmpressitud faas 447 GPa |
Peamine erinevus on järgmine:Süsinik-nanotorude mõõdetud kõvadusväärtus nende loomulikus olekus on suhteliselt madal (eriti komposiitmaterjalides), kuid pärast äärmist kokkusurumist muutuvad need ülikõvaks faasiks, mis on kõvem kui teemant.
Märkus. Süsiniknanotoru komposiitmaterjali (nt CNT/2024 alumiiniumsulam) Vickersi kõvadus on umbes 185 HV. See väärtus peegeldab komposiidi üldist kõvadust, mitte süsiniknanotorude endi kõvadust. Üksikute süsinik-nanotorude kõvadust uuritakse peamiselt üli-kõrgsurve faasitransformatsiooni valdkonnas.
2. Normal State Showdown: Mohsi kõvaduse viik, Vickersi kõvaduse teemant võidab
Järeldus:"Tavalistes" tingimustes (normaalne rõhk, toatemperatuur), millega me igapäevaelus kokku puutume, on teemant absoluutne kõvaduse kuningas. Süsiniknanotorude kõvadus sõltub peamiselt komposiitmaatriksist.
2,1 Mohsi kõvadus: kael ja kael
"Vastastikuse kriimustamise" vaatenurgast on süsiniknanotorude kõvadus "võrreldav" teemandi omaga.
Süsinik-nanotorud koosnevad süsinikuaatomitest, mis on ühendatud sp² kovalentsete sidemetega, moodustades kuue-liikmelise tsüklistruktuuri, samas kui teemant koosneb kolmemõõtmelisest sp³ kovalentsete sidemete raamistikust. Mõlemad on süsinik-süsiniksidemed - üks stabiilsemaid keemilisi sidemeid looduses. Seetõttu pole üksteist kratsides kummalgi selget eelist teise ees.
Võhiku terminites:Teemant võib kriimustada klaasi ja süsinik-nanotorud võivad samuti kriimustada klaasi -, mis on sellel mõõtmel omavahel seotud.
2.2 Vickersi kõvadus: Domineerib teemant
Vickersi kõvadust mõõdetakse, vajutades materjali pinnale teemantsisend ja mõõtes süvendi sügavust. Selles testis on tavapärase olekuga süsinik-nanotorud palju halvemad kui teemant:
| Materjal | Vickersi kõvadus |
|---|---|
| Teemant | Ligikaudu 100 GPa magnituud (10 000 HV) |
| Süsiniknanotoru/alumiiniumisulami komposiit | Maksimaalne ligikaudu 185,1 HV pärast tahket lahust + vananemistöötlust |
Erinevus on umbes 50-kordne.
Kuid siin on oluline punkt: 185 HV mõõdab "süsinik-nanotoru + alumiiniumsulam" terve - uuring, mis peegeldab tõeliselt süsinik-nanotorude endi kõvadust, viiakse läbi laboris teise "üli-kõrgsurve" süsteemi abil.
3. "Transformatsiooni" hetk: avaldage süsiniknanotorudele survet, need muutuvad kõvemaks kui teemant
Järeldus:Kui süsinik-nanotorud külmpressitakse rõhuni üle ligikaudu 75 GPa (750 000 atmosfääri), muutuvad need uueks ülikõvaks süsinikufaasiks, mille mahtmoodul ületab teemandi oma.
See on süsiniknanotorude tõeline "trumbikaart".
3.1 Külmpressimise katse: 75 GPa käivitab faasisiirde
2004. aastal avaldas Arizona ülikooli Zhongwu Wangi juhitud meeskond olulise uuringu aastal.PNAS. Nad asetasid mitmeseinalised süsinik-nanotorud teemant alasi kambrisse ja surusid need umbes 100 GPa-ni (umbes miljon atmosfääri). Nad leidsid, et umbes 75 GPa juures muutusid süsiniknanotorud täiesti uueks kuusnurkseks süsinikufaasiks.
Põhiandmed:
| Parameeter | Väärtus |
|---|---|
| Massmoodul | 447 GPa (fikseeritud K′=4), ületades teemandi ligikaudu 440–442 GPa |
| Tihedus | 3,6±0,2 g/cm³, võrreldav teemandiga |
| Taastavus | See faas säilis pärast rõhu vabastamist ümbritsevas keskkonnas |
Mahumoodul on materjali "surumiskindluse" indikaator, - mida suurem on mahumoodul, seda raskem on materjali surve all kokku suruda. Süsiniknanotorude kõrgrõhufaas ületab selle indikaatori poolest teemandi.
3.2 Nanotwinned teemantpaketid: rekord-241 GPa
2021. aastal avaldas Yanshani ülikooli professor Zhao Zhishengi ja professor Xu Bo juhitud meeskond uuringudPNAS. Kasutades eelkäijatena kõrgelt orienteeritud mitme-seinaga süsinik-nanotorukilesid, sünteesisid nad kõrgrõhu-kõrgtemperatuurilise (HPHT) töötlemise teel eelistatult orienteeritud nanokimpudega teemanti.
Kõige hämmastavamad tulemused:
| Parameeter | Väärtus |
|---|---|
| Knoopi kõvadus | Kuni 241 GPa, mis on üle 20% kõrgem kui eelmine maailmarekord |
Mida tähendab 241 GPa? Töötlemata teemandi (loodusliku teemandi) Knoopi kõvadus on tavaliselt vahemikus 60–100 GPa. See tähendab, et süsiniknanotorudest transformeeritud "nanotwinned kimbu teemant" on 2-4 korda kõvem kui tavaline teemant.
Katse käigus leiti ka, et sellel materjalil on märkimisväärne mehaaniline anisotroopia: kõvadus varieerub sõltuvalt nanokimpude orientatsioonist, kusjuures suurim kõvadus saavutatakse siis, kui taane on kaksikkimpudega risti.
4. "Teoreetiline lagi": kolme-dimensioonilised kovalentsed süsiniknanotorud
Järeldus:Teoreetilised arvutused ennustavad, et teatud kolmemõõtmeliste kovalentsete süsinik-nanotoru polümeeride Vickersi kõvadus võib ulatuda üle 40 GPa, jäädes kuubiku boornitriidi ja teemandi vahele.
Lisaks eksperimentaalsele sünteesile on teadlased kasutanud esimesi{0}}põhimõtteid, et ennustada ülikõva süsinik-nanotoru polümeere, mida pole veel sünteesitud.
| Struktuuri nimi | Vickersi kõvadus | Bändi omadused |
|---|---|---|
| CNP{0}}oC36 | 40,4 GPa | Kaudne ribalaiusega pooljuht (1,29 eV) |
| CNP{0}}oC40 | 37,1 GPa | Kaudne ribalaiusega pooljuht (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 peetakse üldiselt ülikõvade materjalide künniseks).
Kuigi need ennustused on praegu veel teoreetilises staadiumis, viitavad need ennustused sellele, et süsinik-nanotorude potentsiaal muutuda kolmemõõtmelisteks ülikõvadeks struktuurideks ületab kaugelt praeguse arusaama.
5. Üks tabel, millest aru saada: kumb on "raskem"?
| Katseseisund / olek | Teemant | Süsiniknanotoru | Võitja |
|---|---|---|---|
| Mohsi kõvadus (kriimustus) | 10 | Võrreldav teemandiga | Lips |
| Vickersi normaalseisundi kõvadus | ~100 GPa | 185 HV (komposiitmaterjal) | Teemant |
| Massmoodul pärast külmpressimist | ~440 GPa | 447 GPa | Süsiniknanotoru |
| Kõrge{0}}survefaasi Vickersi kõvadus | ~100 GPa | 241 GPa | Süsiniknanotoru |
Lõplik vastus:
Tavatingimustes:Teemant on "kõvam". Tavalistes katsetes ületab teemandi Vickersi kõvadus tunduvalt süsinik-nanotoru komposiitmaterjalide oma.
Surve all:Süsinik-nanotorud on "kõvemad". Kui süsinik-nanotorud surutakse kokku üle 75 GPa, muutuvad need ülikõvaks materjaliks, mis on kõvem kui teemant -, olgu siis mahumooduli (447 vs 440 GPa) või Vickersi kõvaduse (241 vs ~100 GPa) poolest, ületavad nad teemandit.
Süsinik-nanotorud on materjalide maailmas nagu "sõjajumal" -, näivad tavatingimustes tavalised, kuid kui nende "kolmas silm avaneb" (rakendatakse äärmuslikku survet), ületab nende kõvadus kohe teemandi, saades "üli kõvade materjalide kuningaks".
6. Shandongi Tanfengi uus materjal: süsiniknanotorutööstuse "toorainebaas"
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. pakub kõrge-puhtusastmega (üle 98%) mitme-seinaga/üheseinalise-süsinik-nanotoru pulbrit, mis on ideaalseks tooraineks tipptasemel teadusuuringuteks, nagu kõrgrõhu{7}}faasisiirded.
Ükskõik, kas tegemist on Yanshani ülikooli rekordilise-241 GPa uuringuga või Arizona ülikooli 75 GPa külma kokkusurumise faasisiirde uurimisega, on mõlema lähtepunktiks kvaliteetsed süsinik-nanotorude toorained.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. on täpselt "allika võimsus" sellel teel "toorainest ülikõvani".
| Eelise mõõde | Tanfengi uue materjali tugevus |
|---|---|
| Tootemaatriks | Täielik valik ühe{0}}seinaga/kahe{1}}seinaga/mitme{2}}seinaga süsiniknanotorusid (SWCNT/DWCNT/MWCNT) |
| Toote puhtus | Suurem või võrdne 98%, hea partii konsistents |
| Ettevalmistusprotsessid | Kaarlahendus, laserablatsioon, keemiline aurustamine-sadestamine (CVD); mitme protsessi valdamine |
| Põhiparameetrid | TF-210 seeria jne; osakeste suurus 5-15 μm |
| Mehaanilised omadused | Teoreetiline Youngi moodul kuni 5 TPa; tugevus 100 korda terasest; kaal 1/6 terasest |
| Rakenduse paigutus | Seitse strateegilist suunda, sealhulgas uued energiasõidukid, lennundus, raudteetransiit |
Yanshani ülikooli meeskond suutis kvaliteetsete süsinik-nanotorude lähteainetega -sünteesida maailmarekordi materjali "Knoopi kõvadusega 241 GPa". Tanfeng New Material on 20 aastat kestnud süsinikmaterjalide akumulatsiooni, mis tagab selliste tipptasemel teadusuuringute jaoks stabiilse ja usaldusväärse toorainetagatise.
Järeldus: kumb on raskem? Vastus - Teemant tavatingimustes, süsiniknanotorud rõhu all
| osariik | Raskem | Põhiandmed |
|---|---|---|
| Normaalne rõhk ja temperatuur | Teemant | Vickersi kõvadus umbes 100 GPa vs. CNT komposiit 185 HV |
| High Pressure (>75 GPa) | Süsiniknanotorud | mahumoodul 447 GPa ületab teemandi; 241 GPa on neli korda suurem kui teemant |
Arutelu süsiniknanotorude ja teemandi kõvaduse üle annab lõpuks vastuse, mis on funktsioon - "rõhu" funktsioon. Rakendage süsinik-nanotorudele piisavalt survet ja need ületavad teemandi, saades ülikõvade materjalide kuningaks.
See on süsiniknanotorude ülim võlu: need võivad olla piisavalt "pehmed", et kõverduda nanomõõtmelisteks juhtmeteks, ja piisavalt "kõvad", et ületada teemant. Alates Yanshani ülikooli 241 GPa rekordist kuni Tanfeng New Materiali stabiilse 98% või suurema puhtusastmega süsiniknanotorude toodanguni on see "kõvaduse arutelu" liikumas akadeemilisest uurimisest tööstusliku ümberkujundamise poole.