Hvort er „harðara“, kolefnis nanórör (CNT) eða demantur? Svarið fer eftir því hvort þú beitir þrýstingi á það. Hvað varðar Mohs hörku, þá er þetta tvennt sambærilegt - hörku kolefnis nanóröra er sambærileg og demants. Hvað varðar hörku Vickers, þá eru kolefnis nanórör úr náttúrulegu ástandi (185,1 HV) mun lægri en demant (af stærðargráðunni 10.000 HV). En kraftaverk gerist þegar kolefnis nanórör eru kaldþjappuð: þau geta myndað ofurharðan fasa með magnstuðul upp á 447 GPa, þar sem hörkugildið hækkar úr upprunalegu 185,1 HV í 241 GPa (24.100 HV), sem er 4 sinnum hærra en gróft demantur (um það bil 60 GPa). Þetta þýðir: við venjulegar aðstæður er demantur harðari; eftir háþrýstingsmeðhöndlun geta kolefnisnanorör farið fram úr demant og orðið „konungur ofurharðra efna“. Shandong Tanfeng New Material býður upp á há-hreinleika fjöl-veggað/einveggað-kolefnis nanórör, sem þjónar sem kjörið hráefni fyrir slíkar-afkastamiklar rannsóknir.
1. Skilgreindu fyrst staðalinn: Tvær tegundir "hörku", tvö svör
Niðurstaða:Hvort er „harðara“, kolefnis nanórör eða demantur? Það fer eftir því hvaða tegund af hörku þú ert að mæla - Mohs hörku, Vickers hörku og bulk stuðull eftir ofur-háþrýstingsfasabreytingu gefa allt önnur svör.
Hugtakið "harka" í efnisfræði hefur að minnsta kosti þrjár merkingar. Mismunandi mælingaraðferðir og mismunandi aðstæður gefa gjörólíkar niðurstöður:
| Tegund hörku | Mælingaraðferð | Demantur dæmigert gildi | Dæmigert gildi kolefnis nanóröra |
|---|---|---|---|
| Mohs hörku | Klóra steinefni hvert á móti öðru | 10 (hæst) | Sambærilegt við demant |
| Vickers hörku (venjulegt ástand) | Demantur þrýstir inn | Af stærðargráðunni 10.000 HV (um það bil 100 GPa) | 185.1 HV (samsett efni) |
| Vickers hörku (háþrýstingsfasi-) | Mæld eftir kalda þjöppun | Um það bil 100-150 GPa | 241 GPa (nanovinnaðir demantsbúntar úr CNT) |
| Magn stuðull | Viðnám gegn þjöppun | Um það bil 440-442 GPa | Kalt þjappaður fasi 447 GPa |
Lykilmunurinn er:Mælt hörkugildi kolefnis nanóröra í náttúrulegu ástandi þeirra er tiltölulega lágt (sérstaklega í samsettum efnum), en þegar þau verða fyrir mikilli þjöppun breytast þau í ofurharðan fasa sem er harðari en demantur.
Athugið: Vickers hörku samsetts kolefnis nanóröra (eins og CNT/2024 álblöndu) er um 185 HV. Þetta gildi endurspeglar heildar hörku samsettsins, ekki hörku kolefnis nanóröranna sjálfra. Rannsóknir á hörku einstakra kolefnisnanoröra eru aðallega gerðar á sviði ofur-háþrýstingsfasabreytingar.
2. Normal State Showdown: Mohs hörku jafntefli, Vickers hörku Diamond vinnur
Niðurstaða:Við „venjulegar“ aðstæður (venjulegur þrýstingur, stofuhiti) sem við lendum í daglegu lífi er demantur algjör konungur hörku. Frammistaða hörku kolefnis nanóröra fer aðallega eftir samsettu fylkinu.
2.1 Mohs hörku: Háls og háls
Frá sjónarhóli "gagnkvæmra klóra" er hörku kolefnis nanóröra "sambærileg" og demants.
Kolefnisnanorör eru samsett úr kolefnisatómum tengdum með sp² samgildum tengjum sem mynda sex-atóma hringbyggingu, en demantur samanstendur af þrívíða sp³ samgildum tengjum. Bæði eru kolefnistengi -kolefnistengi - eitt stöðugasta efnatengi náttúrunnar. Þess vegna, þegar klórað er hvort annað, hefur hvorugur augljóst forskot á hinn.
Í orðum leikmanna:Demantur getur rispað gler og kolefnis nanórör geta líka rispað gler - í þessari vídd, þau tvö bindast.
2.2 Vickers hörku: Demantur ræður ríkjum
Vickers hörku er mæld með því að þrýsta demantinn inn í yfirborð efnisins og mæla dýpt. Í þessari prófun eru hefðbundin kolefnis nanórör mun lakari en demant:
| Efni | Vickers hörku |
|---|---|
| Demantur | Um það bil 100 GPa stærð (10.000 HV) |
| Kolefni nanórör/álblöndu samsett | Hámark um það bil 185,1 HV eftir fasta lausn + öldrunarmeðferð |
Munurinn er um það bil 50-faldur.
En hér er lykilatriði: 185 HV mælir „kolefnis nanórör + álblöndu“ heilar - rannsóknir sem sannarlega endurspegla hörku kolefnis nanóröra sjálfra eru gerðar með því að nota annað „ofur-háþrýstingskerfi á rannsóknarstofunni.
3. „Umbreytingar“ augnablikið: Þrýstu á kolefnis nanórör, þau verða harðari en demantur
Niðurstaða:Þegar kolefni nanórör eru kalt þjappað yfir um það bil 75 GPa (750.000 andrúmsloft) breytast þau í nýjan ofurharðan kolefnisfasa með magnstuðul sem er meiri en demantur.
Þetta er hið raunverulega "trompkort" kolefnis nanóröra.
3.1 Tilraun með köldu þjöppun: 75 GPa kallar á fasaskipti
Árið 2004 birti teymi undir forystu Zhongwu Wang við háskólann í Arizona tímamótarannsókn íPNAS. Þeir settu fjölveggja- kolefnis nanórör í tígulstuðsfrumu og þrýstu þau niður í um það bil 100 GPa (um 1 milljón lofthjúp). Þeir komust að því að við um 75 GPa breyttust kolefnis nanórörin í alveg nýjan sexhyrndan kolefnisfasa.
Lykilgögn:
| Parameter | Gildi |
|---|---|
| Magn stuðull | 447 GPa (með K′=4 fast), umfram tíguls um það bil 440-442 GPa |
| Þéttleiki | 3,6±0,2 g/cm³, sambærilegt við demant |
| Endurheimtanleiki | Þessum áfanga var haldið eftir í umhverfinu eftir þrýstingslosun |
Magnstuðull er vísbending um "þjöppunarþol" efnis - því hærra sem magnstuðullinn er, því erfiðara er að þjappa efninu undir þrýstingi. Háþrýstingsfasi kolefnisnanoröra fer fram úr demant í þessum vísi.
3.2 Nanotunnið demantsknippi: Met-sló 241 GPa
Árið 2021 birti teymi undir forystu prófessors Zhao Zhisheng og prófessors Xu Bo við Yanshan háskóla rannsóknir íPNAS. Með því að nota mjög stilltar fjöl-veggaðar nanórörfilmur úr kolefni sem undanfara, mynduðu þeir demantur með nanóvinnuðum vöndlum sem helst stilla í gegn með háþrýstingi og háum-hitameðferð (HPHT).
Ótrúlegustu niðurstöðurnar:
| Parameter | Gildi |
|---|---|
| Knoop hörku | Allt að 241 GPa, meira en 20% hærra en fyrra heimsmet |
Hvað þýðir 241 GPa? Knoop hörku óslitins demants (náttúrulegur demantur) er venjulega á milli 60-100 GPa. Þetta þýðir að „nanovinnaður demantur“ sem er umbreyttur úr kolefnisnanorörum er 2-4 sinnum harðari en venjulegur demantur.
Tilraunin leiddi einnig í ljós að þetta efni sýnir verulega vélrænni anisotropy: hörkan er breytileg eftir stefnu nanotvinnuðu knippanna, með hæstu hörku sem næst þegar inndreginn er hornrétt á tvíburabúntana.
4. „Fræðilega loftið“: Þriggja -víddar samgild kolefnis nanórör
Niðurstaða:Fræðilegir útreikningar spá því að Vickers hörku ákveðinna þriggja-samgildra kolefnis nanórör fjölliður gæti farið yfir 40 GPa og fallið á milli kúbiks bórnítríðs og demants.
Til viðbótar við nýmyndun tilrauna hafa vísindamenn notað fyrstu-reglur útreikninga til að spá fyrir um ofurharðar kolefnis nanórör fjölliður sem hafa ekki enn verið smíðaðar.
| Nafn mannvirkis | Vickers hörku | Hljómsveitareiginleikar |
|---|---|---|
| CNP-oC36 | 40,4 GPa | Óbeinn bandgap hálfleiðari (1,29 eV) |
| CNP-oC40 | 37,1 GPa | Óbeinn bandgap hálfleiðari (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 er almennt talinn þröskuldur fyrir ofurharð efni).
Þótt þær séu enn á fræðilegu stigi í bili benda þessar spár til þess að möguleiki kolefnisnanoröra til að umbreytast í þrívíddar ofurharðar mannvirki séu langt umfram núverandi skilning.
5. Ein tafla til að skilja: Hvort er „erfiðara“?
| Próf ástand / ástand | Demantur | Kolefni nanórör | Sigurvegari |
|---|---|---|---|
| Mohs hörku (klóra) | 10 | Sambærilegt við demant | Jafntefli |
| Normal State Vickers hörku | ~100 GPa | 185 HV (samsett efni) | Demantur |
| Magnstuðull eftir kalda þjöppun | ~440 GPa | 447 GPa | Kolefni nanórör |
| Hár-Vickers hörku í þrýstingsfasa | ~100 GPa | 241 GPa | Kolefni nanórör |
Lokasvarið:
Við venjulegar aðstæður:Demantur er „harðari“. Í venjulegu ástandsprófunum er Vickers hörku demants langt umfram það sem samsett efni úr kolefni nanórörum.
Undir þrýstingi:Kolefnis nanórör eru „harðari“. Þegar kolefni nanórör eru þjappað yfir 75 GPa umbreytast þau í ofurhart efni sem er harðara en demantur - hvort sem það er miðað við rúmmálsstuðul (447 vs 440 GPa) eða Vickers hörku (241 vs ~ 100 GPa), þau fara töluvert fram úr demant.
Kolefnis nanórör eru eins og „stríðsguðurinn“ í efnisheiminum - sem virðist venjulegur við venjulegar aðstæður, en þegar „þriðja augað þeirra opnast“ (miklum þrýstingi er beitt) fer hörku þeirra samstundis fram úr demantinum til að verða „konungur ofurharðra efna“.
6. Shandong Tanfeng Nýtt efni: „Hráefnisgrunnurinn“ í kolefnisnanotubeiðnaðinum
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. veitir háan-hreinleika (meira en eða jafnt og 98%) fjöl-veggað/einveggað-kolefnis nanótúpuduft, sem þjónar sem kjörið hráefni fyrir fremstu-rannsóknir eins og háþrýstingsfasaskipti.
Hvort sem það er met Yanshan háskólans sem -sló 241 GPa rannsóknir eða háskólans í Arizona með 75 GPa kaldþjöppunarfasa umbreytingarrannsóknir, þá er upphafspunktur beggja hágæða kolefnis nanóröra hráefni.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. er einmitt "uppspretta krafturinn" á þessari leið frá "hráefni til ofurharðs."
| Kostur stærð | Styrkur Tanfeng nýtt efni |
|---|---|
| Vörufylki | Allt úrval af eins-veggja/tvöföldu-veggja/fjölveggja-veggja kolefnis nanórörum (SWCNT/DWCNT/MWCNT) |
| Hreinleiki vöru | Stærra en eða jafnt og 98%, gott lotusamkvæmni |
| Undirbúningsferlar | Bogalosun, leysireyðing, efnagufuútfelling (CVD); tökum á mörgum ferlum |
| Lykilfæribreytur | TF-210 röð osfrv.; kornastærð 5-15 μm |
| Vélrænir eiginleikar | Fræðilegur stuðull Youngs allt að 5 TPa; styrkur 100 sinnum meiri en stál; þyngd 1/6 af stáli |
| Umsóknarútlit | Sjö stefnumótandi leiðbeiningar, þar á meðal ný orkutæki, loftrými, flutningur með járnbrautum |
Yanshan háskólateymið tókst að búa til-heimsplötuefni með „Knoop hardness of 241 GPa“ með því að treysta á hágæða-kolefnisnanotube forvera. Með 20 ára söfnun iðnaðar í kolefnisefnum veitir Tanfeng New Material stöðuga og áreiðanlega tryggingu fyrir hráefni fyrir slíkar framsæknar rannsóknir.
Niðurstaða: Hvort er erfiðara? Svar - Demantur við venjulegar aðstæður, kolefni nanórör undir þrýstingi
| Ríki | Erfiðara | Lykilgögn |
|---|---|---|
| Venjulegur þrýstingur og hitastig | Demantur | Vickers hörku um það bil 100 GPa á móti CNT samsettu 185 HV |
| High Pressure (>75 GPa) | Kolefni nanórör | Magnstuðull 447 GPa fer yfir demant; 241 GPa er fjórfalt meira en demantur |
Umræðan um hörku milli kolefnis nanóröra og demants gefur að lokum svar sem er fall - fall af „þrýstingi“. Beittu nægum þrýstingi á kolefni nanórör, og þeir munu fara fram úr demant til að verða "konungur ofurharðra efna."
Þetta er fullkominn sjarmi kolefnis nanóröra: þau geta verið nógu "mjúk" til að krullast í nanóskala víra og nógu "harð" til að fara fram úr demantinum. Frá 241 GPa met Yanshan háskólans til stöðugrar framleiðslu Tanfeng New Material sem er meira en eða jafnt og 98% hreint kolefnis nanórör, er þessi „hörkuumræða“ að færast frá fræðilegri könnun til iðnaðar umbreytingar.