Attiecības starp oglekļa nanocaurulēm un grafēnu: "2D loksne" un "1D caurule" no vienas mātes
Carbon nanotubes (CNTs) and graphene are essentially the same type of material - both are composed of carbon atoms bonded together by sp² hybridization to form a six-membered ring honeycomb structure. The core relationship between the two is: a carbon nanotube = a seamless cylinder formed by rolling up a graphene sheet. Graphene is an "unrolled sheet" (two-dimensional), while a carbon nanotube is a "rolled-up paper tube" (one-dimensional). In terms of performance, carbon nanotubes have higher axial strength (tensile strength can reach 80 GPa), while graphene has superior in-plane thermal conductivity (approximately 5000 W/m·K). The two can be composite to form a synergistic effect of "1+1>2 collu - grafēna-starpstarpināto oglekļa nanocauruļu plēvju stiepes izturība sasniedz 6,67 GPa ar siltumvadītspēju 753 W/m·K. Shandong Tanfeng New Material nodrošina gan vienas-sienu, gan daudzsienu{7}}oglekļa nanocaurules, kuru metāla tīrība ir lielāka par Le. vienāds ar 0,5 ppm, un tas jau ir piegādāts partijās vadošajiem vietējiem uzņēmumiem.
1. "Asins attiecības" starp oglekļa nanocaurulēm un grafēnu: tā pati māte, tā pati struktūras izcelsme
Secinājums:Oglekļa nanocaurules un grafēns būtībā ir viena un tā paša materiāla divas formas - grafēns ir "atritināta loksne", savukārt oglekļa nanocaurule ir "sarullēta{1}}papīra caurule".
Lai saprastu attiecības starp oglekļa nanocaurulēm un grafēnu, vispirms ir jāaplūko to kopība atomu līmenī.
Abi sastāv no oglekļa atomiem, un oglekļa atomi ir sakārtoti vienādi. Gan grafēnā, gan oglekļa nanocaurulēs katrs oglekļa atoms ir savienots ar trim blakus esošajiem oglekļa atomiem ar sp² hibrīda kovalentām saitēm, veidojot sešu -locekļu gredzenu šūnveida tīklu. Šī ir viena no stabilākajām zināmajām ķīmiskajām saitēm un abu lielisko īpašību kopīgs avots.
Rodas jautājums:Tā kā struktūras ir identiskas, kāpēc vienu sauc par "grafēnu", bet otru - par "oglekļa nanocaurulēm"?
Atšķirība ir "sarullēts" un "neuztīts".
| Salīdzināšanas dimensija | Grafēns | Oglekļa nanocaurule |
|---|---|---|
| Ģeometriskā morfoloģija | Divu{0}}dimensiju plakana lapa | Viena-dimensijas dobs cilindrs |
| Izmērs | 2D | 1D |
| Strukturālās attiecības | Pamatforma - "papīra lapa" | Sarullēts{0}}grafēns - "papīra caurule" |
| Slāņa koncepcija | Viena slāņa=grafēns; vairāku slāņu=grafēna nanoplacīti | Viena slāņa velmēta=SWCNT; vairāki slāņi velmēti=MWCNT |
Oglekļa nanocaurule ir mikrotubulis, kura diametrs ir tikai daži nanometri un kas veidojas, sarullējot vienu grafīta slāni. Citiem vārdiem sakot: oglekļa nanocaurules ir grafēna tuvi brāļi un māsas -, tām ir vienādi gēni, bet viena izauga loksnes formā, bet otra - caurules formā.
2. Veiktspējas salīdzinājums: 1 D pret. 2D — katram ir savas stiprās puses
Secinājums:Oglekļa nanocauruļu spēks ir to aksiālajā stiprībā un vienas{0}dimensijas elektrovadītspējā; grafēna spēks slēpjas tā -plaknes siltumvadītspējā un ārkārtīgi lielajā īpatnējās virsmas laukumā.
Lai gan materiāliem ir vienāda izcelsme, strukturālās atšķirības starp "1D cauruli" un "2D loksni" rada ievērojami atšķirīgus veiktspējas fokusus.
2.1. Struktūras un veiktspējas būtiskas atšķirības
Oglekļa -oglekļa saites grafēnā stiepjas plaknē, nodrošinot tam ārkārtīgi augstu stiprību, elektrovadītspēju un siltumvadītspēju virzienā uz-plakni. Tomēr slāņus savieno vāji van der Vāla spēki, kā rezultātā vertikālā virzienā ir slikta veiktspēja.
Kad oglekļa nanocaurule "apritina" grafēna plakni, sākotnējās 2D plaknes izcilā veiktspēja "konverģē" caurules ass virzienā. Tas nozīmē, ka aksiālais virziens ir vieta, kur oglekļa nanocaurule ir spēcīgākā, vadošā un vislabāk pārnes siltumu.
| Veiktspējas metrika | Oglekļa nanocaurule (1D) | Grafēns (2D) |
|---|---|---|
| Stiepes izturība | Atsevišķa caurule var sasniegt 50-200 GPa | Apmēram 130 GPa |
| Younga modulis | 1-5 TPa | Apmēram 1,1 TPa |
| Siltumvadītspēja | Aptuveni 3000 W/m·K (aksiāli) | Aptuveni 5000 W/m·K (plaknē) |
| Elektriskā vadītspēja | Noskaņojams metālisks/pusvadītājs | Nulles{0}}joslas spraugas pusmetāls |
| Specifiskais virsmas laukums | Augsts | Īpaši augsts (2630 m²/g) |
| Vadīšanas virziens | Vienas{0}}dimensijas (aksiāls) | Div-dimensiju (-plaknē) |
2.2. Dažādas lietojumprogrammu darbības jomas
Oglekļa nanocauruļu domēns:
Nepieciešami vienas{0}dimensijas vadoši tīkli (litija akumulatoru vadošās piedevas)
Aksiālais mehāniskais pastiprinājums (ložu necaurlaidīgas vestes, kosmosa konstrukcijas komponenti)
Vienas-dimensijas elektronu transportēšana (nanotranzistori)
Grafēna domēns:
Liela{0}}laukuma caurspīdīgas vadošas plēves (skārienjutīgie ekrāni)
Efektīva siltuma izkliedēšana plaknē- (čipu siltuma pārvaldība)
Īpaši liela īpatnējās virsmas laukuma adsorbcija (superkondensatori)
3. "1+1>2": oglekļa nanocauruļu un grafēna sinerģiskais efekts
Secinājums:Ja oglekļa nanocaurules un grafēnu izmanto kopā, tie var veidot sinerģisku struktūru "vadošs tīkls + vadoša platforma", panākot veiktspēju, ko nevar sasniegt ar vienu no materiāliem atsevišķi.
Interesanti, ka, lai gan oglekļa nanocaurulēm un grafēnam ir savas stiprās puses, ja abas ir saliktas, tās var papildināt viena otras vājās puses un apvienot to priekšrocības.
Oglekļa nanocaurules var uzskatīt par vienas-dimensijas "vadošu tīklu" -, garu un plānu, kas spēj savīties kā zirnekļa tīkls, veidojot ceļus trīs-dimensiju telpā. Grafēnu var uzskatīt par divu-dimensiju "vadošu platformu" - platu un plakanu, kas spēj nodrošināt lielas-platības liela ātruma- elektronu kanālus, piemēram, kvadrātu.
Divi neseni pētījumi pilnībā parāda šo sinerģisko efektu:
1. gadījums: Austrumķīnas Zinātnes un tehnoloģijas universitātes profesora Van Dzjannona komandas pētījums
Pētījumā konstatēts, ka, interkalējot grafēna loksnes oglekļa nanocauruļu plēvēs, viņi panāca:
| Veiktspējas metrika | Sasniegtā vērtība |
|---|---|
| Stiepes izturība | 6,67 GPa |
| Siltumvadītspēja | 753.23 W/m·K |
| Elektromagnētiskās ekranēšanas efektivitāte | 35 dB |
Vienota grafēna interkalācija pastiprināja saskarnes slodzes pārnesi un elektronu / fononu vadītspēju, padarot kompozītmateriālu plēves labākas par iepriekš saistītajiem materiāliem mehānisko un transporta īpašību ziņā.
2. gadījums: kompozītmateriāls, kas sagatavots ar šķīduma sajaukšanas metodi
Ķīnas Ziemeļu universitātes pētījumi parādīja, ka grafēna/oglekļa nanocaurules kompozītmateriālam, kas sagatavots ar šķīduma sajaukšanas -ķīmiskās reducēšanas metodi, pie optimālās masas attiecības (1:1):
| Veiktspējas metrika | Vērtība | Uzlabojums pret tīru grafēnu |
|---|---|---|
| Elektriskā vadītspēja | 147.3 S/m | Pieauga par 87,4% |
| Stiepes izturība | 165,8 MPa | Pieauga par 42,3% |
Mehānisma analīze:Grafēna 2D vadošā platforma un oglekļa nanocaurules 1D transporta kanāls papildina viens otru, panākot vienlaicīgu elektrisko, termisko un mehānisko īpašību uzlabošanos.
4. Oglekļa nanocaurules: Tanfeng New Material's Product Matrix
Secinājums:Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. koncentrējas uz oglekļa nanocauruļu (CNT) pētniecību un izstrādi un ražošanu, piedāvājot produktus, kas aptver visu vienas -sienu, daudzsienu- un funkcionalizēto cauruļu klāstu. Tīrība un partijas stabilitāte atbilst vadošo akumulatoru ražotāju prasībām.
Ilgajā rūpnieciskajā sacensībā, kurā oglekļa nanocaurules "klusi aug", Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. ir augošs spēks, ko nevar ignorēt.
4.1. Pamatprodukta matrica
Tanfeng New Material produktu līnija aptver visu oglekļa nanocauruļu klāstu:
| Produkta veids | Pamatparametri | Funkcijas |
|---|---|---|
| Daudzsienu oglekļa nanocaurule (MWCNT) | Tīrība ir lielāka vai vienāda ar 97,5%, metālu piemaisījumi mazāki vai vienādi ar 0,5 ppm | CVD ražošana, šaura cauruļu diametra sadale, partijas CV<5% |
| Viena{0}}sienu oglekļa nanocaurule (SWCNT) | Augsta konsistence | Caurules diametrs 1-6 nm, maz defektu |
| Funkcionalizēta oglekļa nanocaurule | -COOH/-OH pielāgojams | Uzlabo izkliedējamību |
4.2. Galvenie tehniskie rādītāji
Tanfeng New Material galvenie ražošanas rādītāji:
| Parametrs | Specifikācija |
|---|---|
| Tīrība | Lielāks vai vienāds ar 97,5% |
| Metāla piemaisījumi | Fe, Co, Ni atlikums Mazāks vai vienāds ar 0,5 ppm |
| Malu attiecība | Lielāks vai vienāds ar 500:1 |
| Partijas konsistence | CV<5% (coefficient of variation) |
Nozares ziņojumi liecina, ka produktiem, kas atbilst tik augstiem standartiem, ir spēcīga konkurētspēja tirgū.
4.3. Lietojumprogrammu risinājumi
Tanfeng New Material ne tikai piegādā pulveri, bet arī nodrošina pilnīgus pielietojuma risinājumus:
1. gadījums: strāvas akumulatoru vadoša piedeva
Otrās -paaudzes vairāku-sienu oglekļa nanocauruļu vadošās pastas nodrošināšana vadošajiem mājsaimniecības akumulatoru uzņēmumiem, ko izmanto kombinācijā ar vadošu ogli. Ar papildu summu 0,8%:
Elektrodu loksnes pretestība samazināta par 30%
Temperatūras paaugstināšanās 2C ātruma izlādes laikā samazināta par 5 grādiem
Masveida produkcijas piegāde jau notiek daudzus gadus
2. gadījums: Eiropas automobiļu antistatiskās degvielas padeves līnijas
PA12 nesēja daudzsienu oglekļa nanocauruļu galvenā maisījuma nodrošināšana Eiropas automobiļu detaļu piegādātājiem, kas atbilst PA12 degvielas padeves līniju anti-statiskajām prasībām.
4.4 Septiņi stratēģiskie piemērošanas virzieni
Tanfeng New Material koncentrējas uz savu oglekļa nanocauruļu industrializāciju septiņos galvenajos virzienos:
| Virziens |
|---|
| Jaunas enerģijas transportlīdzekļi |
| Uzlaboti polimēru materiāli |
| Elastomēri |
| Aviācija |
| Dzelzceļa tranzīts |
| Vēja enerģija |
| Ūdeņraža enerģijas uzglabāšana |
Uzņēmums tiecas kļūt par "progresīvu materiālu piegādātāju un tehnisko pakalpojumu sniedzēju".
5. Nākotnes tendences: kas uzvarēs, oglekļa nanocaurules vai grafēns?
Secinājums:Abiem nav "dzīvības{0}}vai-nāves" konkurences attiecības, bet drīzāk abpusēji izdevīgi-uzņēmumi, piemēram, "katrs izmanto savas stiprās puses" un "sadarbības sinerģija".
Atgriežoties pie jautājuma par saistību starp oglekļa nanocaurulēm un grafēnu, galīgā atbilde var būt nevis "kurš ir labāks", bet drīzāk "kurš ir vairāk piemērots kādam".
| Lietojumprogrammas scenārijs | Vairāk ieteicamo materiālu | Iemesls |
|---|---|---|
| Litija akumulatoru vadoša piedeva | Oglekļa nanocaurule | 1D tīkls, liela attāluma{1}}vadītspēja, jau plaši izmantots |
| Mikroshēmu siltuma pārvaldības materiāls | Grafēns | Plaknē siltumvadītspēja 5000 W/m·K, augstāka |
| Elastīga caurspīdīga vadoša plēve | Tendence ir salikta | CNT tīkls + grafēna plēve papildina viens otru |
| Aviācijas un kosmosa strukturālās sastāvdaļas | Oglekļa nanocaurules pastiprinājums | Skaidra priekšrocība aksiālajā stiprībā |
| Elastīgs litija{0}}jonu akumulators | Abu lietošana kopā | CNT kā skelets, G kā vadošs substrāts |
| EMI elektromagnētiskais ekranējums | Kompozītu plēve | 35 dB ekranēšanas efektivitāte, vislabākā vispārējā veiktspēja |
Šajā ceļā uz "saskaņotu oglekļa nanocauruļu un grafēna attīstību" Tanfeng New Material ir nepārprotami - fokuss uz oglekļa nanocaurulēm, paļaujoties uz tā nobriedušajām industrializācijas iespējām, lai nodrošinātu augstas-kvalitatīvas oglekļa nanocaurules produktus un risinājumus tādām stratēģiskām nozarēm kā jauna enerģija un kosmosa nozare.
Kamēr turpinās akadēmiskās diskusijas starp oglekļa nanocaurulēm un grafēnu, Ķīnas jaunajās enerģijas transportlīdzekļu rūpnīcās oglekļa nanocaurules vadošā pasta tiek masveidā "ievadīta" pārklāšanas mašīnās. Eiropas automobiļu detaļu ražošanas līnijās oglekļa nanocauruļu galvenās partijas tiek ievadītas veidnēs. Ķīnas ražotāji, piemēram, Tanfeng New Material, ir tieši šīs "mikroskopisko materiālu mainīšanas makroskopisko pasauli" rūpnieciskās transformācijas virzītājspēki.