Visaptverošs ievads par oglekļa nanocaurulēm

Oglekļa nanocaurules (CNT) ir vienas{0}dimensijas nanomēroga cauruļveida nanomateriāli, ko veido grafīta oglekļa atomi kā pamatvienību. Kopš to atklāšanas 1991. gadā, paļaujoties uz to unikālo mikrostruktūru un lielisko visaptverošo veiktspēju, tie ātri kļuvuši par pētniecības karsto punktu un pielietojuma kodolu nanomateriālu jomā, plaši iekļūstot daudzās stratēģiski jaunās nozarēs, piemēram, augstākās klases ražošanā, jaunā enerģētikā, precīzajā elektronikā un aviācijā. Tie ir pazīstami kā "potenciālākais funkcionālais materiāls 21. gadsimtā".

I. Oglekļa nanocauruļu pamatklasifikācija

Atbilstoši mikrostruktūras atšķirībām oglekļa nanocaurules galvenokārt var iedalīt trīs kategorijās. Dažādu kategoriju produktiem ir atšķirīgs veiktspējas fokuss, un tie ir piemēroti dažādiem scenārijiem. Pašlaik nozarē visplašāk tiek izmantotas oglekļa nanocaurules ar dažām -sienu un vairāku-sienu oglekļa nanocaurulēm, savukārt īpaši-smalkas oglekļa nanocaurules kā augstākās-segmentētās kategorijas koncentrējas uz augstas-precizitātes scenāriju vajadzībām.

1. Atsevišķas-sienu oglekļa nanocaurules (SWCNT): veidojas, saritinot vienu grafīta lokšņu slāni, kura diametrs parasti ir no 0,4-2nm. Tiem ir regulāra struktūra, ārkārtīgi zems defektu līmenis un vislabākā elektriskā un siltuma vadītspēja. Tomēr tos ir grūti sagatavot, viegli aglomerēt, un to izmaksas ir augstas. Tos galvenokārt izmanto augstākās klases zinātniskajos pētījumos, precīzās elektroniskās mikroshēmās un citos scenārijos ar ārkārtējām veiktspējas prasībām.

2. Daudzsienu oglekļa nanocaurules (MWCNT): veidojas, saritinot vairākus koncentrisku grafīta lokšņu slāņus, kuru diametrs ir 2-100 nm un garums līdz mikrometra līmenim. Tiem ir nobriedusi sagatavošanas tehnoloģija, mērenas izmaksas un lieliska mehāniskā stabilitāte, taču to elektrovadītspēja un izkliede ir nedaudz zemāka par oglekļa nanocaurulēm ar vienu -sienu un dažām{7}}sienu sienām. Tos galvenokārt izmanto vidējas un -augstas klases vadītspējas un pastiprināšanas scenārijos, piemēram, parastiem vadošiem pārklājumiem un plastmasas modifikācijām.

3. Dažas-sienu oglekļa nanocaurules (FWCNT): starp vienas-sienu un daudzsienu-sienu, kas izveidotas, salocot 2-5 slāņus grafīta loksnes ar diametru 2-8nm. Tiem piemīt gan viensienu oglekļa nanocauruļu augstā elektrovadītspēja, gan daudzsienu oglekļa nanocauruļu mehāniskā stabilitāte, kā arī labāka izkliedes veiktspēja. Pašlaik tie ir labākā izvēle, kas līdzsvaro veiktspēju un izmaksas. Īpaši-smalkas oglekļa nanocaurules (diametrs mazāks vai vienāds ar 10 nm) kā augstas klases oglekļa nanocauruļu segments ar dažām sienām vēl vairāk uzlabo izkliedi un funkcionālo pielāgošanās spēju, kā arī ir piemērotas precīzākiem pielietojuma scenārijiem.

II. Oglekļa nanocauruļu galvenās īpašības

Oglekļa nanocauruļu lieliskā veiktspēja izriet no to unikālās cauruļveida grafīta struktūras. Tiem ir priekšrocības, kas pārsniedz tradicionālos materiālus daudzās dimensijās, piemēram, mehānikā, elektrībā, termoloģijā un ķīmijā, kas ir arī galvenais iemesls, kāpēc tie var aizstāt tradicionālos materiālus, piemēram, vadošo oglekli, un dot iespēju rūpnieciskai modernizācijai.

1. Elektriskās īpašības. Oglekļa nanocaurulēm ir lieliska elektrovadītspēja, to tilpuma pretestība ir 1,0 × 10⁻⁴-5,0 × 10⁻³ Ω·cm un virsmas pretestība regulējama līdz 1,0 × 10¹-5,0 × 10,02 Ω/sq² Ω. Tiem ir ātrs elektronu pārraides ātrums, un to elektriskā vadītspēja ir daudz labāka nekā tradicionālajiem materiāliem, piemēram, vadošajam oglei un grafītam. Turklāt to pretestības stabilitāte ir spēcīga, tos nevar viegli ietekmēt vides faktori, piemēram, temperatūra un mitrums, un tie var ilgstoši uzturēt augstas efektivitātes elektrovadītspēju.

2. Mehāniskās īpašības: Oglekļa nanocauruļu stiepes izturība var sasniegt 40–80 GPa, elastības modulis ir līdz 1,0 × 10³–1,8 × 10³ GPa, un cietība ir 20–40 GPa, kas ir vairāk nekā 100 reizes lielāka nekā tēraudam. Tajā pašā laikā tiem ir lieliska stingrība un nodilumizturība. Neliela to daudzuma (1%-5%) pievienošana matricas materiāliem, piemēram, plastmasai, gumijai un keramikai, var ievērojami uzlabot materiālu mehānisko izturību, triecienizturību un kalpošanas laiku, sasniedzot dubultos mērķus: "viegls + augsta veiktspēja".

3. Siltuma raksturlielumi: oglekļa nanocauruļu aksiālā siltumvadītspēja var sasniegt 1500-3000 W/(m·K), radiālā siltumvadītspēja ir 50-100 W/(m·K), un karstumizturības temperatūra ir pat 700 grādu (inertās gāzes vidē). Tie var uzturēt stabilu veiktspēju plašā temperatūras diapazonā no -100 grādi līdz 600 grādiem bez sadalīšanās vai novecošanas. Tiem ir gan augsta -efektīvā siltumvadītspēja, gan lieliska augstas temperatūras izturība, kas ir piemērota augstas temperatūras apstrādei un augstas klases siltuma izkliedes scenārijiem.

4. Ķīmiskās un dispersijas īpašības: Oglekļa nanocaurulēm ir lieliska ķīmiskā stabilitāte, tās ir izturīgas pret skarbu ķīmisko vidi, piemēram, stiprām skābēm, spēcīgiem sārmiem un organiskiem šķīdinātājiem, nereaģē ar lielāko daļu ķīmisko vielu, un tām ir izcila oksidācijas un korozijas izturība. Pēc profesionālas virsmas modifikācijas apstrādes tie var efektīvi atrisināt aglomerācijas problēmu, panākt vienmērīgu dispersiju ūdenī, organiskajos šķīdinātājos un dažādos matricas materiālos, nepievienojot pārmērīgus disperģētājus, un dispersijas stabilitāte var sasniegt vairāk nekā 72 stundas.

5. Vides raksturlielumi. Oglekļa nanocaurules pašas ir netoksiskas, bez garšas, un tām nav putekļu piesārņojuma riska, un tās atbilst starptautiskajiem vides aizsardzības un drošības standartiem. Salīdzinājumā ar tradicionālā vadošā ogļu trūkumiem, kas ir pakļauti putekļu piesārņojumam un daži satur smago metālu piemaisījumus, tie ir vairāk piemēroti augstas klases un vides aizsardzības produktu vajadzībām, un tos var izmantot precīziem scenārijiem, kas saistīti ar lietošanu medicīnā un saskari ar pārtiku.

III. Oglekļa nanocauruļu galvenie pielietojuma lauki

Paļaujoties uz visaptverošām veiktspējas priekšrocībām, oglekļa nanocaurules pakāpeniski ir aizstājušas tradicionālos vadošos un pastiprinošos materiālus, kļūstot par galveno atbalsta materiālu dažādu augstākās klases nozaru{0}}jaunināšanai. To pielietojuma scenāriji nepārtraukti paplašinās, aptverot daudzas jomas, sākot no zinātniskās pētniecības līdz masveida ražošanai, un no augstas{2} civilās klases līdz valsts aizsardzībai un militārajai rūpniecībai.

1. Jauns enerģijas lauks: kā galveno funkcionālo materiālu to plaši izmanto tādos produktos kā litija baterijas, superkondensatori un kurināmā elementi. Litija akumulatoros to var izmantot kā vadošu piedevu, lai uzlabotu uzlādes un izlādes efektivitāti, cikla kalpošanas laiku un enerģijas blīvumu, risinot problēmu, ka tradicionālajiem vadošajiem līdzekļiem ir liels pievienošanas daudzums un tie ietekmē akumulatora enerģijas blīvumu. Superkondensatoros tas var uzlabot elektrovadītspēju un enerģijas uzglabāšanas efektivitāti. Kurināmā elementos to var izmantot kā katalizatora nesēju, lai uzlabotu katalītisko aktivitāti un stabilitāti.

2. Precīzijas elektronikas lauks: piemērots tādiem scenārijiem kā antistatiska, elektromagnētiskā ekranēšana, mikroshēmu siltuma izkliedēšana un elastīga elektronika. To var izmantot, lai sagatavotu antistatiskus pārklājumus un elektromagnētiskos ekranēšanas materiālus, samazinātu statisko elektrību uz elektronisko izstrādājumu virsmas, uzlabotu elektromagnētiskās ekranēšanas efektu un nodrošinātu precīzu elektronisko komponentu darbības stabilitāti. Kā skaidu siltuma izkliedes materiāls var ātri eksportēt skaidu siltumu un pagarināt skaidu kalpošanas laiku. Tajā pašā laikā to var izmantot elastīgu vadošu plēvju, lauka-efektu tranzistoru u.c. sagatavošanai, palīdzot elastīgās elektronikas nozares attīstībai.

3. Advanced Composite Materials Field: izmanto polimēru kompozītmateriālu (plastmasas, gumijas, šķiedru), metāla matricas kompozītmateriālu un keramikas matricas kompozītmateriālu pastiprināšanai un modificēšanai, uzlabojot materiālu mehānisko izturību, elektrovadītspēju, siltumvadītspēju un nodilumizturību. To plaši izmanto kosmosa detaļās, vieglo automašīnu detaļās, augstākās klases aprīkojuma korpusos utt., nodrošinot vieglu un augstas veiktspējas materiālu jaunināšanu.

4. Zinātniskās pētniecības joma: kā nanomateriālu pētniecības pamatnesējs to plaši izmanto laboratorijas pētījumos universitātēs un zinātniskās pētniecības institūtos, tostarp oglekļa nanomateriālu veiktspējas izpētē, jaunu funkcionālu materiālu izstrādē, elektronisko transmisijas mehānismu izpētē un biomedicīnā (zāļu piegādes nesēji), nodrošinot galveno atbalstu nanozinātnes un tehnoloģiju izrāvienam.

5. Citi lauki: to var izmantot augstas klases vadītspējīgu Kā vides adsorbcijas materiāls to var izmantot smago metālu un piesārņotāju adsorbcijai, palīdzot vides pārvaldībā. Tajā pašā laikā tai ir arī neaizstājama loma tādās augstākās klases{7}} jomās kā valsts aizsardzība un militārā rūpniecība un kosmosa izpēte.

IV. Oglekļa nanocauruļu rūpnieciskā attīstība un tehniskais atbalsts

Strauji pilnveidojoties globālajai augstākās klases{0}nozarei, tirgus pieprasījums pēc oglekļa nanocaurulēm turpina pieaugt, un nozares attīstība pakāpeniski pārvēršas no "laboratorijas izpētes un izstrādes" uz "liela mēroga-masveida ražošanu un pielāgotu lietojumu". Pamattehnoloģiju izrāviens un liela mēroga ražošanas jauda ir kļuvuši par atslēgu oglekļa nanocauruļu popularizēšanai un izmantošanai.

Pašlaik vietējā oglekļa nanocauruļu rūpniecība ir guvusi neatkarīgus sasniegumus, sagraujot ārvalstu uzņēmumu ilgtermiņa monopolu augstākās klases oglekļa nanocauruļu jomā. Tostarp uzņēmumi ar pilnu -ķēdes tehnisko jaudu ir pārvarējuši galvenās tehniskās problēmas, piemēram, "precīzu-smalko daļiņu izmēru kontroli", "augstu-stabilitātes izkliedi" un "liela-apjoma masveida ražošanu", veidojot pilnīgu rūpniecisko ķēdi no izejvielu iepirkuma, pamatprocesu izpētes un izstrādes, liela-apjoma ražošanas un precīzas pārbaudes pakalpojumiem.

Kā piemēru ņemot Shandong TANFENG, vadošo uzņēmumu vietējā oglekļa nanocauruļu jomā, paļaujoties uz profesionālu pētniecības un attīstības komandu ar vidēji vairāk nekā 12 gadu pieredzi, tas ir uzkrājis vairāk nekā 30 neatkarīgus izgudrojumu patentus. Tas ir neatkarīgi izstrādājis ekskluzīvus virsmas modifikācijas un precīzas attīrīšanas procesus, kas var precīzi pielāgot oglekļa nanocauruļu daļiņu izmēru, pretestību un dispersijas veiktspēju. Tā ir izveidojusi starptautiski standarta ekskluzīvu ražošanas bāzi, kas aprīkota ar pilnībā automātiskām slēgta cikla ražošanas līnijām ar 1000 tonnu gada ražošanas jaudu, realizējot pilnu-procesa viedo vadību, lai nodrošinātu stabilu partijas veiktspēju. Tas ir izveidojis nozarē vispilnīgāko profesionālo testēšanas centru, kas aprīkots ar pilnu importētu augstas-precīzas testēšanas iekārtu komplektu, lai visaptveroši pārbaudītu 18 galvenos rādītājus, lai nodrošinātu produktu kvalitāti. Tajā pašā laikā tas nodrošina "viens pret vienu" pielāgotus pakalpojumus un pilnu-procesa tehnisko atbalstu, lai pielāgotos dažādu nozaru personalizētajām vajadzībām un veicinātu oglekļa nanocauruļu pielietošanu dažādās jomās.

Nākotnē, nepārtraukti atkārtojot tehnoloģiju un turpinot optimizēt ražošanas izmaksas, oglekļa nanocaurules pakāpeniski iekļūs vidējās un augstākās klases scenārijos, aizstājot tradicionālos materiālus, lai panāktu rūpniecisko uzlabojumu. Tajā pašā laikā ir sagaidāms, ka tādās jaunās jomās kā mikroshēmas, kuru pamatā ir ogleklis, biomedicīna un kosmosa izpēte, tās pavērs jaunas pielietojuma vietas un kļūs par galveno spēku, kas virza koordinētu nanozinātņu un tehnoloģiju attīstību, kā arī augstākās klases ražošanu.