Hversu góð eru raf- og hitaleiðni kolefnisnanoröra? Sönn árangursgreining byggð á gögnum
Í efnisfræði hafa fá efni heillað vísindamenn í áratugi eins og kolefnisnanorör. Þessi pípulaga mannvirki, sem eru eingöngu samsett úr kolefnisatómum og mæla aðeins einn tíu{1}þúsundasta þvermál mannshárs, fela í sér næstum allar væntingar til næstu-kynslóðar ofurefna. Í samtölum við viðskiptavini vaknar alltaf ein spurning: hversu góð eru raf- og varmaleiðni kolefnis nanóröra? Í dag munum við svara þeirri spurningu með gögnum og staðreyndum.
1. Rafleiðni: Rafeindir keyra niður „hraðbraut“
Til að skilja rafframmistöðu CNT verður maður fyrst að meta uppbyggingu þeirra. Kolefnisatóm tengjast með sp² blendingu-meðal sterkustu efnatengja sem vitað er um. Í þessari uppsetningu geta rafeindir hreyft sig hratt meðfram rörveggnum nánast án hindrunar, fyrirbæri sem kallast ballistic rafeindaflutningur.
1.1 Áberandi tölur: Tíu þúsund sinnum hærri en kopar
Bæði fræðilegar og tilrauna niðurstöður eru sláandi: eftir ákveðnum stefnum geta CNTs sýnt rafleiðnitíu þúsund sinnum hærri en kopar. Við stofuhita getur rafleiðni SWCNT náð allt að 10³ S/cm. Hvað þýðir þetta? Ef hefðbundnir vírar eru eins og holóttir sveitavegir þar sem rafeindir eiga erfitt með að hreyfa sig, eru CNT eins og átta-hraðbrautir sem leyfa óhindrað rafeindaflæði.
Meta-greining sem gerð var við háskólann í Cambridge skoðaði 1.304 gagnapunkta úr 266 ritrýndum-ritgerðum. Niðurstöðurnar bentu til þess að dópaðir, samstilltir fáir-veggðir CNT (FWCNT) tákna best-afkastaflokkinn, þar sem sýrur-spunnnar trefjar sýna sérstaklega framúrskarandi rafleiðni. Þrátt fyrir að rafleiðni stórsæja CNT-samstæða hafi ekki enn verið í fullu samræmi við kopar (nú um það bil einn-sjötta af kopar), miðað við að CNTs hafa aðeins brot af þéttleika stáls, sýnir sérstaka leiðni þeirra (leiðni-til-þéttleikahlutfalls) nú þegar umtalsverða kosti.
1.2 Af hverju eru CNTs svo mjög leiðandi?
Skýringin liggur í skammtafræði. Í hefðbundnum leiðara rekast rafeindir stöðugt á meðan þær hreyfast og mynda viðnám. Í CNT, vegna afar lítillar stærðar og fullkominnar uppbyggingar, geta rafeindir ferðast „ballistískt“ með nánast enga hitamyndun. Sp² blending C–C tengi gerir rafeindum á CNT yfirborði kleift að hreyfast á hraða sem nálgast 1/300 af ljóshraða, með rafeindahreyfanleika sem nær 20.000 cm²/(V·s).
Ennfremur, allt eftir chirality þeirra, geta CNTs sýnt annað hvort málm- eða hálfleiðandi hegðun. Þessi stillanlegi eiginleiki opnar mikla möguleika fyrir notkun þeirra í rafeindatækjum. Árið 2013 þróaði Stanford háskólinn með góðum árangri frumgerð miðvinnslueiningu sem byggð var algjörlega úr CNT. Þó að notkunartíðni þess hafi aðeins verið 1 kHz á þeim tíma, sannaði það hagkvæmni þessarar aðferðar.
2. Varmaleiðni: Framúr demant
Ef rafleiðni hefur gert CNTs mjög aðlaðandi fyrir rafeindatækni, hefur hitauppstreymi þeirra vakið áhuga sérfræðinga í hitastjórnun.
2.1 Fræðileg mörk: 5800 W/(m·K)
Fræðilegar spár benda til þess að CNT hafi líklega hærri hitaleiðni en demantur, sem hugsanlega gerir þá að hitaleiðandi efni í heimi. Hverjar eru sérstakar tölur? SWCNTs geta náð hitaleiðni á5800 W/(m·K), en MWCNTs ná um 3000 W/(m·K). Til samanburðar má nefna að demantur-besti náttúrulega varmaleiðarinn-er með hitaleiðni upp á um það bil 2200 W/(m·K). Með öðrum orðum, CNT getur leitt hita meira en þrisvar sinnum betur en demantur.
2.2 Frá kenningu til framkvæmda
Auðvitað er mjög krefjandi að mæla hitaleiðni einstaks CNT. Snemma mælingar á einstökum MWCNT gáfu gildi um 3000 W/(m·K), í samræmi við fræðilegar spár.
Mikilvægt atriði til að skýra er að þegar CNT er sett saman í stórsæ efni eins og filmur eða trefjar, minnkar heildarhitaleiðni verulega. Ástæðan er einföld: slöngu-til-slöngunnar og holur innan efnisins hindra hitaflæði. Til dæmis, þegar SWCNTs eru þrýst inn í magnplötu, er mæld hitaleiðni herbergis-hita aðeins um 35 W/(m·K). Þetta þýðir ekki að CNT sjálfir standi sig illa; heldur undirstrikar það að flutningur á óvenjulegum eiginleikum á nanóskala yfir í stórsæjar samsetningar er áfram lykiláskorun fyrir markaðssetningu.
2.3 Varmaleiðnibúnaður: Hlutverk hljóðnema
Varmaleiðni í CNT er fyrst og fremst stjórnað af hljóðfónum. Rannsóknir benda til þess að meðallaus leið hljóðnema í CNT sé um það bil 0,5–1,5 μm. Sp² uppbyggingin auðveldar flutning hljóðnema og gefur CNT framúrskarandi hitaeiginleika sína. Þessi skilvirka hitaleiðnigeta hefur fundið hagnýt forrit. Vísindamenn hjá Bandarísku staðla- og tæknistofnuninni (NIST) hafa meira að segja þróað MWCNT-húð sem dregur úr eldfimi pólýúretanfroðu um 35%, þökk sé hraðri hitaleiðni CNTs og myndun verndandi bleikjulags við mikinn hita.
3. Hvað geta þessar eignir gert í reynd?
Áhrifamikil fræðileg gögn verða að lokum að skila sér í hagnýt forrit. Notkun CNTs sem leiðandi aukefna í litíum-jónarafhlöðum er vel-rómað dæmi.
3.1 Leiðandi net í litíum-jónarafhlöðum
Í litíum-rafhlöðu bakskautsefnum getur CNT hleðsla upp á um það bil 1,5% náð sömu áhrifum og 3% af hefðbundnu kolsvarti. Meira um vert, CNTs búa til aþrívítt leiðandi net. Einvíddar CNTs, ásamt virkum ögnum, mynda þrívíddarnet sem eykur rafeindaflutning á áhrifaríkan hátt milli virka efnisins og straumsafnarans. Til dæmis, með litíum manganoxíð (LiMn₂O₄) efni, leiddi það til þess að MWCNT var bætt við 99% afkastagetu eftir 20 lotur, samanborið við aðeins 90% fyrir hreina efnið.
Árangurinn í litíum kóbaltoxíð (LiCoO₂) kerfum er jafn áhrifamikill. Við 2C hraða sýna LiCoO₂/MWCNT frumur lágmarksgetu dofna, en frumur sem innihalda kolsvart eða koltrefjar sýna afkastagetu upp á 10% og 30%, í sömu röð, eftir 20 lotur. Ástæðan er einföld: leiðandi netið sem myndast af CNTs auðveldar hleðsluflutning og dregur úr viðnám.
3.2 Beyond Lithium-Ion rafhlöður
Fyrir utan rafhlöður eru CNTs að ryðjast inn á fjölmörg önnur svið:
Aerospace: CNT kvikmynd sem þróuð var við MIT getur hitað og læknað samsett efni, eyðir aðeins 1% af orkunni sem hefðbundin autoclave þarf á meðan framleiðir íhluti með sambærilegan styrk.
Raftæki: Smári sem byggir á CNT- eru minni og leiðandi, með möguleika á að taka við af sílikoni.
Orkugeymsla og varmastjórnun: Ný forrit í ofurþéttum, varmaviðmótsefnum og öðrum sviðum eru fljótt að koma fram.
4. Shandong Tanfeng í markaðssetningarferlinu
Eftir að hafa rætt fræðileg gögn og háþróuð-forrit skulum við snúa okkur aftur að raunhæfum veruleika. Sama hversu frábært efni kann að vera, ef það er ekki hægt að framleiða það í mælikvarða eða útvega það á áreiðanlegan hátt, er það blekking fyrir iðnaðinn.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd.er mikilvægur þátttakandi í innlendu markaðssetningarferli CNT. Sem tækni-miðað fyrirtæki sem sérhæfir sig í rannsóknum og þróun, framleiðslu og sölu á CNT, inniheldur vöruúrval Shandong Tanfeng MWCNT duft, SWCNT duft, CNT leiðandi líma, CNT leiðandi masterbatch og sílikon-kolefnisskautaefni.
Fyrirtækið er með meira en tíu virk einkaleyfi sem tengjast CNT, sílikon-kolefnisskautaefnum og snjöllum búnaðarframleiðslu. Þessi einkaleyfisskylda tækni tryggir tæknilegan áreiðanleika frá þróun rannsóknarstofu til fjöldaframleiðslu. Eins og er, eru vörur Shandong Tanfeng mikið notaðar í sjö helstu geirum: nýjum orkutækjum, háþróuðum fjölliða samsettum efnum, teygjum, geimferðum, járnbrautum, vindorkuframleiðslu og vetnisorkugeymslu.
Fyrir CNT duft hefur Shandong Tanfeng þróað margar einkunnir, þar á meðal TF-210, TF-300, TF-400 og TF-500, með hreinleika sem er meiri en eða jafnt og 99% og lengd á bilinu 5 til 15 μm, sem uppfyllir ferli kröfur fjölbreyttra viðskiptavina. Hvort sem maður þarf MWCNT með háum stærðarhlutföllum eða SWCNT fyrir fullkominn afköst, eru viðeigandi lausnir tiltækar.
Ólíkt birgjum sem bjóða aðeins upp á duft, þá veitir Shandong Tanfeng einnig CNT leiðandi deig, sem hjálpar niðurstreymisviðskiptavinum að forðast þá ferlikönnun sem venjulega er nauðsynleg til að dreifa. Þetta er sérstaklega dýrmætt fyrir framleiðendur litíum-jónarafhlöðu, þar sem samræmd dreifing CNTs í slurry er viðurkennd tæknileg áskorun í greininni. Shandong Tanfeng, sem nýtir sér-húsþróaða dreifingartækni, tryggir samræmd hópgæði, sem gerir viðskiptavinum kleift að „nota beint úr pokanum“.
5. Raunhæft sjónarhorn: Milli frammistöðu og veruleika
Sem efnisfræðingar og verkfræðingar verðum við að hafa augun bæði á stjörnunum og jörðinni. Rafmagns- og varmaleiðni CNT eru vissulega fræðileg „loft“, en nokkrar staðreyndir þarf að viðurkenna í hagnýtri notkun:
Í fyrsta lagi eru eiginleikar á nanóskala ekki jafnir við stórsæja eiginleika.Einstakur CNT getur haft hitaleiðni upp á 5800 W/(m·K), en stórsæ kvikmynd sem gerð er úr CNT getur aðeins náð nokkrum tugum. Þetta er ekki vegna skorts á CNT sjálfum, heldur frekar vegna slöngunnar -slöngunnar og tómarúmanna í stórsæjum samsetningum sem koma með verulega hitauppstreymi.
Í öðru lagi er dreifing stöðug áskorun.CNTs hafa mikið yfirborð og sterka van der Waals krafta, sem gerir þeim hætt við þéttingu. Án réttrar dreifingar er ekki hægt að ná jafnvel hæstu rafleiðni. For-dreifðu deiginu sem Shandong Tanfeng býður upp á er einmitt ætlað að taka á þessum sársaukapunkti.
Í þriðja lagi verður efnisval að passa við umsóknina.Kröfur fyrir leiðandi aukefni eru mismunandi eftir litíum járnfosfat (LFP) rafhlöðum og nikkel-kóbalt-mangan rafhlöðum (NCM) sem og milli kísil-kolefnisskauta og grafítskauta. Fyrir hefðbundnar-orkufrumur bjóða MWCNT bestu-kostnaðarhagkvæmni. Fyrir hraðhleðslu-eða sílikon-skautkerfi gæti verið þörf á SWCNT. Fjölgæða vörufylki Shandong Tanfeng-er hannað til að veita viðskiptavinum sveigjanleika til að velja í samræmi við þarfir þeirra.
Fyrir nokkrum árum, á iðnaðarsýningu, hélt verkfræðingur CNT sýnishorn og spurði mig: "Gögnin fyrir þetta efni líta svo áhrifamikil út. Hvers vegna getum við ekki náð kjörnum árangri með því?" Á þeim tíma svaraði ég: "Eiginleikar efnis og frammistaða vöru eru tveir ólíkir hlutir. Hið fyrra veltur á eðlislægri getu; hið síðara fer eftir kunnáttu."
Ég er enn þeirrar skoðunar í dag. Innbyggð hæfni CNT er hafin yfir vafa-þeir leiða rafmagn betur en kopar og hita betur en demantur. En að umbreyta þeirri eðlislægu getu í stöðugar, áreiðanlegar vörur krefst þess að fyrirtæki eins og Shandong Tanfeng-með einkaleyfistækni, framleiðslureynslu og uppsafnaða umsóknarþekkingu-breyti „getu“ stöðugt í „kunnáttu“.
Ef þú ert að leita að áreiðanlegum birgi CNT dufts eða leiðandi deigs, eða vilt kanna hvernig CNTs gætu verið notaðar í vörur þínar, vinsamlegast hafðu samband við Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. Leyfðu okkur að ræða hvernig þetta "ofur efni" getur styrkt vörur þínar.