Cik labas ir oglekļa nanocauruļu elektriskās un siltumvadītspējas? Patiesa veiktspējas analīze, kas balstīta uz datiem
Materiālzinātnē dažas vielas ir savaldzinājušas pētniekus gadu desmitiem, piemēram, oglekļa nanocaurules. Šīs cauruļveida struktūras, kas pilnībā sastāv no oglekļa atomiem un kuru diametrs ir tikai viena desmittūkstošā daļa no cilvēka matu diametra, iemieso gandrīz visas cerības attiecībā uz nākamās-paaudzes supermateriāliem. Sarunās ar klientiem vienmēr rodas viens jautājums: cik labas ir oglekļa nanocauruļu elektriskās un siltuma vadītspējas? Šodien mēs atbildēsim uz šo jautājumu ar datiem un faktiem.
1. Elektriskā vadītspēja: elektroni, kas skrien pa "supermaģistrāli"
Lai saprastu CNT elektrisko veiktspēju, vispirms ir jānovērtē to struktūra. Oglekļa atomi saistās sp² hibridizācijas ceļā,{1}}viena no spēcīgākajām zināmajām ķīmiskajām saitēm. Šajā konfigurācijā elektroni var ātri pārvietoties pa caurules sienu praktiski bez šķēršļiem, kas ir pazīstama kā ballistisko elektronu transportēšana.
1.1. Pārsteidzoši skaitļi: desmit tūkstošus reižu vairāk nekā vara
Gan teorētiskie, gan eksperimentālie rezultāti ir pārsteidzoši: konkrētos virzienos CNT var parādīt elektrisko vadītspējudesmit tūkstošus reižu augstāks par varu. Istabas temperatūrā SWCNT elektriskā vadītspēja var sasniegt pat 10³ S/cm. Ko tas nozīmē? Ja parastie vadi ir kā bedrains lauku ceļs, kur elektroniem ir grūti pārvietoties, CNT ir kā astoņas-joslu lielceļi, kas nodrošina netraucētu elektronu plūsmu.
Kembridžas Universitātē veiktajā meta-analīzē tika pārbaudīti 1304 datu punkti no 266 recenzētiem-darbiem. Rezultāti liecināja, ka leģēti, izlīdzināti daži -sienu CNT (FWCNT) ir vislabākā -veiktspējas kategorija, un skābes-šķiedrām ir īpaši izcila elektrovadītspēja. Lai gan makroskopisko CNT mezglu elektrovadītspēja vēl nav pilnībā sasniegusi vara elektrovadītspēju (pašlaik aptuveni viena sestā daļa no vara), ņemot vērā, ka CNT ir tikai daļa no tērauda blīvuma, to īpatnējā vadītspēja (vadītspējas attiecība pret blīvumu) jau uzrāda būtiskas priekšrocības.
1.2 Kāpēc CNT ir tik ļoti vadītspējīgi?
Izskaidrojums slēpjas kvantu mehānikā. Parastajos vadītājos elektroni nepārtraukti saduras kustībā, radot pretestību. CNT to ārkārtīgi mazo izmēru un perfektās struktūras dēļ elektroni var pārvietoties "ballistiski" gandrīz bez siltuma rašanās. C-C saišu sp² hibridizācija ļauj elektroniem uz CNT virsmas pārvietoties ar ātrumu, kas tuvojas 1/300 no gaismas ātruma, un elektronu mobilitāte sasniedz 20 000 cm²/(V·s).
Turklāt, atkarībā no to hiralitātes, CNT var uzrādīt metālisku vai pusvadītāju darbību. Šis regulējamais raksturlielums paver plašas iespējas to izmantošanai elektroniskajās ierīcēs. 2013. gadā Stenfordas universitāte veiksmīgi izstrādāja centrālā procesora bloka prototipu, kas pilnībā uzbūvēts no CNT. Lai gan tā darbības frekvence tajā laikā bija tikai 1 kHz, tā pierādīja šīs pieejas iespējamību.
2. Siltumvadītspēja: pārspēj dimantu
Ja elektriskā vadītspēja ir padarījusi CNT ļoti pievilcīgus elektronikai, to siltuma veiktspēja ir satraukusi siltuma pārvaldības ekspertus.
2.1. Teorētiskais ierobežojums: 5800 W/(m·K)
Teorētiskās prognozes liecina, ka CNT, iespējams, ir augstāka siltumvadītspēja nekā dimantam, kas, iespējams, padara tos par siltumvadītspējīgāko materiālu pasaulē. Kādi ir konkrēti skaitļi? SWCNT var sasniegt siltumvadītspēju5800 W/(m·K), savukārt MWCNT sasniedz aptuveni 3000 W/(m·K). Salīdzinājumam, dimanta -labākā dabā sastopamā siltumvadītāja- siltumvadītspēja ir aptuveni 2200 W/(m·K). Citiem vārdiem sakot, CNT var vadīt siltumu vairāk nekā trīs reizes labāk nekā dimants.
2.2. No teorijas uz praksi
Protams, atsevišķa CNT siltumvadītspējas mērīšana ir ārkārtīgi sarežģīta. Agrīnie mērījumi atsevišķiem MWCNT deva vērtības aptuveni 3000 W / (m · K), kas atbilst teorētiskajām prognozēm.
Svarīgs jautājums, kas jāprecizē, ir tas, ka, saliekot CNT makroskopiskos materiālos, piemēram, plēvēs vai šķiedrās, kopējā siltumvadītspēja ievērojami samazinās. Iemesls ir vienkāršs: caurules-to-kontakti un tukšumi materiālā kavē siltuma plūsmu. Piemēram, kad SWCNT tiek iespiesti lielapjoma loksnē, izmērītā telpas temperatūras siltumvadītspēja ir tikai aptuveni 35 W/(m·K). Tas nenozīmē, ka paši CNT darbojas slikti; drīzāk tas uzsver, ka nanomēroga izņēmuma īpašību nodošana makroskopiskiem mezgliem joprojām ir galvenais komercializācijas izaicinājums.
2.3. Siltumvadīšanas mehānisms: fononu loma
Siltumvadību CNT galvenokārt regulē fononi. Pētījumi liecina, ka vidējais fononu brīvais ceļš CNT ir aptuveni 0,5–1,5 μm. Sp² struktūra atvieglo fononu transportēšanu, piešķirot CNT to izcilajām termiskajām īpašībām. Šī efektīvā siltuma izkliedes spēja ir atradusi praktisku pielietojumu. ASV Nacionālā standartu un tehnoloģiju institūta (NIST) pētnieki pat ir izstrādājuši MWCNT-bāzētu pārklājumu, kas samazina poliuretāna putu uzliesmojamību par 35%, pateicoties ātrai CNT siltuma izkliedei un aizsargājoša pārogļu slāņa veidošanai ārkārtējā karstumā.
3. Ko šie īpašumi var darīt praksē?
Iespaidīgiem teorētiskajiem datiem galu galā ir jāpārvēršas praktiskā pielietojumā. CNT izmantošana kā vadošas piedevas litija{1}}jonu akumulatoros ir labi pierādīts piemērs.
3.1. Vadītspējīgs tīkls litija{1}}jonu akumulatoros
Litija{0}}jonu bateriju katoda materiālos aptuveni 1,5% CNT slodze var sasniegt tādu pašu efektu kā 3% parastā oglekļa. Vēl svarīgāk ir tas, ka CNT rada atrīsdimensiju vadošs tīkls. Viendimensijas CNT kopā ar aktīvajām daļiņām veido 3D tīklu, kas efektīvi uzlabo elektronu transportu starp aktīvo materiālu un strāvas kolektoru. Piemēram, litija mangāna oksīda (LiMn₂O4) materiālam, pievienojot MWCNT, pēc 20 cikliem jauda tika saglabāta par 99%, salīdzinot ar tikai 90% tīram materiālam.
Litija kobalta oksīda (LiCoO₂) sistēmu veiktspēja ir tikpat iespaidīga. Ar 2C ātrumu LiCoO₂/MWCNT šūnām ir minimāla jaudas izbalēšana, savukārt šūnām, kas satur oglekli vai oglekļa šķiedras, pēc 20 cikliem ir attiecīgi 10% un 30% jaudas zudumi. Iemesls ir vienkāršs: vadošais tīkls, ko veido CNT, atvieglo lādiņu pārnešanu un samazina pretestību.
3.2. Ne tikai litija{1}}jonu akumulatori
Papildus baterijām CNT iekļūst daudzās citās jomās:
AviācijaMIT izstrādātā CNT plēve var sildīt un sacietēt kompozītmateriālus, patērējot tikai 1% no enerģijas, kas nepieciešama tradicionālajiem autoklāviem, vienlaikus ražojot līdzīgas stiprības sastāvdaļas.
Elektronika: tranzistori, kuru pamatā ir CNT{0}}, ir mazāki un vadošāki, un tiem ir iespēja izmantot silīciju.
Enerģijas uzglabāšana un siltuma pārvaldība: Strauji parādās jauni pielietojumi superkondensatoros, termiskās saskarnes materiālos un citās jomās.
4. Shandong Tanfeng komercializācijas procesā
Pēc teorētisko datu un jaunāko{0} lietojumprogrammu apspriešanas atgriezīsimies pie praktiskās realitātes. Neatkarīgi no tā, cik lielisks būtu materiāls, ja to nevar saražot apjomā vai piegādāt uzticami, tā joprojām ir ilūzija nozarei.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd.ir nozīmīgs iekšzemes CNT komercializācijas procesa dalībnieks. Tā kā Shandong Tanfeng ir uz tehnoloģijām- orientēts uzņēmums, kas nodarbojas ar CNT pētniecību un izstrādi, ražošanu un pārdošanu, Shandong Tanfeng produktu portfelī ietilpst MWCNT pulveris, SWCNT pulveris, CNT vadoša pasta, CNT vadoša galvenā maisījuma un silīcija-oglekļa anoda materiāli.
Uzņēmumam ir vairāk nekā desmit aktīvi patenti, kas saistīti ar CNT, silīcija-oglekļa anoda materiāliem un viedo iekārtu ražošanu. Šīs patentētās tehnoloģijas nodrošina tehnisko uzticamību no laboratorijas izstrādes līdz masveida ražošanai. Pašlaik Shandong Tanfeng produkti tiek plaši izmantoti septiņās galvenajās nozarēs: jauni enerģijas transportlīdzekļi, uzlaboti polimēru kompozītmateriāli, elastomēri, kosmosa, dzelzceļa transports, vēja enerģijas ražošana un ūdeņraža enerģijas uzglabāšana.
CNT pulveriem Shandong Tanfeng ir izstrādājis vairākas kategorijas, tostarp TF-210, TF-300, TF-400 un TF-500, kuru tīrība ir lielāka vai vienāda ar 99% un garums ir no 5 līdz 15 μm, kas atbilst dažādu klientu procesa prasībām. Neatkarīgi no tā, vai ir nepieciešami MWCNT ar augstu malu attiecību vai SWCNT izcilai veiktspējai, ir pieejami piemēroti risinājumi.
Atšķirībā no piegādātājiem, kas piedāvā tikai pulveri, Shandong Tanfeng piedāvā arī CNT vadošas pastas, palīdzot pakārtotajiem klientiem izvairīties no procesa izpētes, kas parasti nepieciešama izkliedēšanai. Tas ir īpaši vērtīgi litija-jonu akumulatoru ražotājiem, jo vienmērīga CNT izkliedēšana suspensijā joprojām ir atzīts tehnisks izaicinājums nozarē. Izmantojot savu-pašizstrādāto dispersijas tehnoloģiju, Shandong Tanfeng nodrošina nemainīgu partijas kvalitāti, ļaujot klientiem patiesi "izmantot no maisa".
5. Reālistisks skatījums: starp sniegumu un realitāti
Kā materiālu zinātniekiem un inženieriem mums ir jātur acis gan uz zvaigznēm, gan uz zemi. CNT elektriskās un siltumvadītspējas patiešām ir teorētiski "griesti", taču praktiskajā pielietojumā ir jāatzīst vairāki fakti:
Pirmkārt, nanomēroga īpašības nav vienādas ar makroskopiskām īpašībām.Atsevišķa CNT siltumvadītspēja var būt 5800 W/(m·K), bet makroskopiskā plēve, kas izgatavota no CNT, var sasniegt tikai dažus desmitus. Tas nav saistīts ar kādiem pašiem CNT trūkumiem, bet gan ar caurules -caurules kontaktiem un tukšumiem makroskopiskajos mezglos, kas rada ievērojamu termisko pretestību.
Otrkārt, izkliede joprojām ir pastāvīgs izaicinājums.CNT ir lielas virsmas un spēcīgi van der Vālsa spēki, kas padara tos pakļautus aglomerācijai. Bez pienācīgas izkliedes nevar realizēt pat visaugstāko elektrovadītspēju. Shandong Tanfeng piedāvātās iepriekš-izkliedētās pastas ir tieši paredzētas, lai novērstu šo sāpju punktu.
Treškārt, materiāla izvēlei ir jāatbilst pieteikumam.Prasības vadošām piedevām litija dzelzs fosfāta (LFP) akumulatoriem un niķeļa{0}}kobalta-mangāna (NCM) akumulatoriem, kā arī silīcija-oglekļa anodiem un grafīta anodiem atšķiras. Parastajiem enerģijas-tipa elementiem MWCNT piedāvā vislabāko izmaksu-efektivitāti. Ātrās-uzlādes vai silīcija-anoda sistēmām var būt nepieciešami SWCNT. Shandong Tanfeng vairāku{10}pakāpju produktu matrica ir izstrādāta, lai nodrošinātu klientiem iespēju izvēlēties atbilstoši savām vajadzībām.
Pirms vairākiem gadiem nozares izstādē kāds inženieris turēja CNT paraugu un man jautāja: "Šī materiāla dati izskatās tik iespaidīgi. Kāpēc mēs ar to nevaram sasniegt ideālus rezultātus?" Toreiz es atbildēju: "Materiāla īpašības un izstrādājuma veiktspēja ir divas dažādas lietas. Pirmā ir atkarīga no raksturīgajām spējām; otrā ir atkarīga no prasmēm."
Es joprojām pieturos pie tāda viedokļa šodien. CNT raksturīgās spējas neapšaubāmi{1}}tie vada elektrību labāk nekā varš un siltumu labāk nekā dimants. Taču, lai šīs raksturīgās iespējas pārveidotu par stabiliem, uzticamiem produktiem, ir nepieciešams, lai tādi uzņēmumi kā Shandong Tanfeng{3}}ar patentētām tehnoloģijām, ražošanas pieredzi un uzkrātu pieredzi lietošanā-, lai "iespēja" nepārtraukti pārvērstu par "prasmēm".
Ja meklējat uzticamu CNT pulveru vai vadošu pastu piegādātāju vai vēlaties izpētīt, kā CNT var tikt izmantots jūsu produktos, lūdzu, sazinieties ar Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. Ļaujiet mums pārrunāt, kā šis "supermateriāls" var nodrošināt jūsu izstrādājumus.