Eru kolefni nanórör í raun 100 sinnum sterkari en stál? Svarið er já. Fræðilegur togstyrkur kolefnis nanóröra getur náð 50-200 GPa, sem er 100 sinnum meiri en venjulegs stáls af sama rúmmáli, með þéttleika sem er aðeins 1/6 af stáli. Þessi blanda af "léttum þyngd og miklum styrk" er upprunnin frá stöðugri samgildu tengibyggingu milli kolefnisatóma. Hins vegar er það enn áskorun á heimsvísu að stækka einstaka frammistöðu eins rörs í stórsæ efni (eins og trefjar eða snúrur): Kolefnis nanórör eru stuttar á lengd, hættar á að renna og mældir styrkir eru mun lægri en fræðileg gildi. Sem framleiðandi leggur Shandong Tanfeng New Material áherslu á CVD undirbúningstækni til að stuðla að beitingu kolefnis nanóröra á afkastamiklum sviðum eins og geimferðum.
1. Hvaðan kom fullyrðingin „100 sinnum sterkari en stál“?
Niðurstaða:Fullyrðingin um að kolefnis nanórör séu "100 sinnum sterkari en stál" hefur fræðilegan grunn - togstyrkur eins fullkominnar kolefnis nanórör getur náð 50-200 GPa, samanborið við um það bil 0,4-1,5 GPa fyrir venjulegt stál. Munurinn er tvær stærðargráður.
„Kolefnis nanórör þynnri en mannshár gæti lyft bíl“ - þessi fullyrðing hljómar eins og vísindaskáldskapur, en hún er sannarlega byggð á traustum vísindalegum sönnunum.
Leyndarmálið að styrkleika kolefnis nanóröra liggur í „beinagrindinni“ þeirra. Kolefnisnanorör eru samsett úr kolefnisatómum tengdum með C=C samgildum tengjum og mynda fullkomna sexhyrnda hunangsseimubyggingu. Til að rjúfa kolefnis nanórör verða þessi kolefnis-kolefnistengi að vera rofin - sem krefst mjög mikillar orku. Fræðilegur styrkur kolefnis nanóröra getur náð 100 sinnum meiri en stáls, á meðan eðlismassi þeirra er mjög lítill, aðeins 1/6 af stáli.
Við skulum skoða ítarlegan gagnasamanburð:
| Árangursmælikvarði | Kolefni nanórör | Venjulegt stál | Margfeldi |
|---|---|---|---|
| Togstyrkur | 50-200 GPa | 0,4-1,5 GPa | Um það bil 100 sinnum |
| Þéttleiki | 1,3-2,0 g/cm³ | 7,9 g/cm³ | Um það bil 1/6 |
| Teygjustuðull | 1-5 TPa | 0,2 TPa | Meira en 5 sinnum |
| Sérstakur styrkur (styrkur ÷ þéttleiki) | 25-100 GPa·cm³/g | 0,05-0,19 GPa·cm³/g | Hundruð sinnum |
Vegna þessara talna hefur kolefnis nanórör verið hampað sem „ofurtrefjum“ og „kraftaverki 21.-aldar efna“.
2. Af hverju segja sumir "kolefnisnanorör eru ekki svo sterkir"?
Niðurstaða:Bilið liggur í „stækkun“ skrefinu - einstök kolefnisnanorör eru mjög sterk, en þegar þau eru sett saman í stórsæ efni (eins og trefjar eða filmur) minnkar styrkurinn verulega. Þetta er núverandi kjarna tæknilega flöskuhálsinn.
Þar sem kolefni nanórör eru fræðilega svo sterk, hvers vegna höfum við ekki séð „kolefni nanórör“ koma í stað stálkapla í daglegu lífi okkar? Af hverju er „nano fljúgandi blaðið“ úr „The Three-Body Problem“ ekki orðið alvöru vara enn?
Svarið er: það er mikið verkfræðilegt bil á milli „eins rörs“ og „búnts“.
Í raun og veru er mjög erfitt að búa til „nano fljúgandi blað“. Með núverandi tæknilegum ferlum er mjög erfitt að búa til langdræga-fullkomna frumeindaskipan. „Nano fljúgandi blað“ hefur aðeins einn nanómetra í þvermál en hundruð metra lengd. Þetta jafngildir því að 1 millimetra þykkt reipi þurfi að vera 1 milljón metra langt, með þeirri kröfu að reipi hafi enga galla.
Jafnvel þó að sentimetra-löng ofur-löng kolefnis nanórör fáist, þegar þau eru bundin saman, er togstyrkurinn samt mun lægri en einstaks kolefnis nanórör. Ástæðurnar eru margþættar:
| Flöskuháls hlekkur | Sérstakt vandamál | Áhrif |
|---|---|---|
| Takmörkuð lengd | Einstök kolefnis nanórör eru venjulega aðeins tugir míkrómetra til sentímetra að lengd | Ekki hægt að nota beint sem stórsæjar snúrur |
| Milli-rör renna | Kolefni nanórör eru tengd af van der Waals krafti, sem gerir þeim hætt við að renna undir álagi | Styrkur minnkar verulega |
| Byggingargalla | Ófullkomið atómfyrirkomulag er til í raunverulegum undirbúningi | Verða streituþéttingarpunktar |
| Afgangs streita | Mismunandi rör í búnti bera ójafnt álag; sumir eru of-hertir, sumir of-losaðir | Ótímabært beinbrot |
Teymi frá Tsinghua háskólanum komst að því að „samtímis slökun“ aðferðin - fyrst að klippa til að losa um afgangsstreitu, síðan teygja - gæti aukið styrkleika búntsins í yfir 80 GPa. Þetta er nú þegar mikil bylting, en það er enn bil frá fræðilegum mörkum kolefnis nanóröra (u.þ.b. 200 GPa), og enn meiri fjarlægð frá fullkomnum forritum eins og „geimlyftukapal“.
3. Hvað gerir kolefnisnótópur „sterkar“? Hvaða aðra eiginleika hafa þeir fyrir utan styrk?
Niðurstaða:Kolefni nanórör eru ekki aðeins „sterk“ heldur einnig „sterk“, „létt“ og „hörð“ - þau sameina mikinn styrk, mikla seiglu, létta þyngd og mikla hörku. Alhliða vélrænni eiginleikar þeirra eru óviðjafnanlegir meðal allra þekktra efna.
Margir halda að kolefnis nanórör séu aðeins „mikil að styrkleika“ en „alls{0}}geta þeirra er í raun undraverðasti þátturinn.
1. Hár hörku: Sterk en ekki brothætt
Ólíkt demöntum eru kolefnis nanórör harðir en einnig sveigjanlegir. Þegar kolefni nanórör er beygt eða beitt ásþrýstingi á það, jafnvel þótt ytri krafturinn fari yfir Euler styrkleikamörk, mun kolefni nanórörið ekki brotna. Þess í stað fer það í gegnum mikla-hornbeygju. Þegar ytri krafturinn losnar fer kolefnis nanórörið aftur í upprunalegt form. Fræðileg hámarkslenging þess getur náð 20%.
2. Hár hörku: Sambærilegt við Diamond
Hörku kolefnis nanóröra er sambærileg við hörku demants. Þetta þýðir að þeir geta sýnt afar mikla slitþol í rispuprófum á sama tíma og þeir þola togaflögun - sambland af "harðu og sterku" sem er afar sjaldgæft.
3. Ofur-létt þéttleiki: 1/6 af stáli
Þéttleiki kolefnis nanóröra er aðeins 1,3-2,0 g/cm³, sem er jafnvel léttara en ál. Þetta gefur þeim mjög háan „sértækan styrk“ - burðargetu á hverja þyngdareiningu.
| Frammistöðuvídd | Carbon Nanotube Performance | Samanburðarefni |
|---|---|---|
| Styrkur | 50-200 GPa | 100 sinnum meira en stál |
| Harka | Hægt að teygja og beygja | Demantur: brotnar með hamri |
| hörku | Sambærilegt við demant | Diamond Mohs hörku 10 |
| Þéttleiki | 1,3-2,0 g/cm³ | 1/6 af stáli |
| Hlutfall | Yfir 1000:1 | Lágmark 20:1 fyrir verkfræðilega trefjar |
4. Frá vísindaskáldskap til veruleika: Hver er að reka þessa „styrktarbyltingu“?
Niðurstaða:Kínverskir vísindamenn og fyrirtæki vinna saman - háskólar eins og Tsinghua eru að slá í gegn í undirbúningi „ofur-löngum“ og „ofur-sterkum“ kolefnis nanórörum, á meðan fyrirtæki eins og Shandong Tanfeng New Material eru að kynna viðskiptalega notkun þeirra.
Á leiðinni frá rannsóknarstofu til iðnvæðingar fyrir kolefnis nanórör eru kínversk teymi í fremstu röð í heiminum.
Vísindarannsóknarmörk: Bylting við Tsinghua háskólann
Árið 2018 gáfu þeir út blað íNáttúran nanótæknigreina frá kolefnisnanotubeygjum með togstyrk yfir 80 GPa.
Árið 2020 gáfu þeir út blað íVísindisýnt með tilraunum að hægt væri að teygja kolefnis nanórör stöðugt hundruð milljóna sinnum án þess að brotna.
Þessi árangur hefur lagt traustan efnisgrundvöll fyrir verkfræðilega beitingu kolefnis nanóröra.
Iðnaðarumsókn: Skipulag Shandong Tanfeng nýtt efni
Til að breyta „ofurstyrk“ kolefnis nanóröra í raunverulegar vörur krefst þess að fyrirtæki nái tökum á stórri-framleiðslutækni hágæða-kolefnisnanoröra. Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. er einn af sérfræðingum á þessu sviði.
Helstu vörur Tanfeng New Material eru einveggja-kolefnis nanórör, fjöl-kolefnis nanórör, sílikon-kolefnisskautaefni og leiðandi deig. Kjarnafærni þess er:
| Tanfeng New Material Advantage | Sérstakt efni |
|---|---|
| Undirbúningsferli | Masters chemical vapor deposition (CVD); purity can reach >99.5% |
| Vörufylki | Full þekja einveggja-, tvöfalda-veggða og fjöl-veggða rör |
| Markaðir | Sjö helstu stefnur, þar á meðal flugrými, flutningur með járnbrautum, vindorku og ný orkutæki |
| Umsóknaraðferð | Sem styrkjandi efni fyrir samsett efni, sem veitir há-styrk, léttar lausnir |
Á sviði geimferða er hægt að nota kolefni nanórör til að framleiða létta burðarhluta skrokksins.
Í járnbrautarflutningi er hægt að nota þau til að draga úr líkamsþyngd ökutækja en viðhalda öryggisstyrk.
Í vindorku er hægt að nota þau til að auka þreytuþol risastórra blaða - þetta eru allt notkun á „100 sinnum sterkari en stál“ eiginleika kolefnis nanóröra.
Samantekt: „Styrkur“ kolefnisnótabanda er bæði staðreynd og stefna
Kolefni nanórör eru örugglega "100 sinnum sterkari en stál" - þetta er samstaða á sviði efnisfræði, studd traustum fræðilegum og tilraunagögnum. Helstu staðreyndir sem styðja þessa niðurstöðu eru:
| Stig | Lykilatriði |
|---|---|
| Fræðilegt | Fullkomið kolefni nanórör getur haft togstyrk allt að 200 GPa, meira en 100 sinnum meiri en stál, með þéttleika sem er aðeins 1/6 af stáli |
| Tilraunakennt | Tsinghua háskólateymið hefur útbúið stórsæja kolefnis nanórör búnta með togstyrk yfir 80 GPa |
| Iðnvæðing | Fyrirtæki eins og Shandong Tanfeng New Material eru að kynna há-kolefnis nanórör á afkastamiklum-mörkuðum eins og flugvélum og nýjum orkutækjum |
Hins vegar endurspeglast þessi "styrkur" nú aðallega á einstökum nanórörum. Makrósópísk mælikvarði er enn alþjóðleg tæknileg áskorun. Þegar verið er að útbúa stórsæ efni úr kolefnis nanórörum með framúrskarandi vélrænni eiginleika er togstyrkurinn oft mun lægri en einstaks kolefnis nanórör. Að leysa vandamál á borð við „að renna á milli-röra,“ „byggingargalla“ og „afgangsálag“ er einmitt stefnan sem vísindamenn og fyrirtæki vinna sameiginlega að.
Frá „nano fljúgandi blaðinu“ í „The Three-Líkamsvandamál“ til „geimlyftunnar“ sem vísindamenn sáu fyrir sér, til léttvigtar í geimnum sem á sér stað í dag - kolefnis nanórör færast skref fyrir skref frá hinum undraverða gagnapunkti „100 sinnum sterkari en stál“ í átt að sterkari verkfræðiveruleikanum en „tru sinnum“.