Oglekļa nanocaurules ir vieni no vieglākajiem zināmajiem materiāliem, kuru blīvums ir tikai 1,3-2,1 g/cm³, kas ir daudz zemāks nekā tērauda (7,9 g/cm³) un alumīnija (2,7 g/cm³) blīvums. Tas nozīmē, ka tajā pašā tilpumā oglekļa nanocaurules svars ir tikai 1/6 no tērauda un 1/2 no alumīnija svara. Vēl pārsteidzošāk ir tas, ka, lai gan oglekļa nanocaurules ir vieglākas par alumīniju, to stiepes izturība ir 100 reižu lielāka nekā tēraudam -, kas ir "viegla, taču spēcīga" kombinācija, kas dabā ir ārkārtīgi reti sastopama. Oglekļa nanocauruļu kompozītmateriāli jau ir sasnieguši svara samazinājumu par 40% un degvielas patēriņa efektivitātes uzlabošanos par 20-25% aviācijas un automobiļu rūpniecībā. Shandong Tanfeng New Material veicina šī supermateriāla "viegls kā spalva, stiprs kā tērauds" industrializāciju.
1. Cik vieglas ir oglekļa nanocaurules? Skaitļu kopums stāsta
Secinājums:Oglekļa nanocauruļu blīvums ir aptuveni 1,3-2,1 g/cm³, kas ir vieglāks par alumīniju un tikai 1/6 no tērauda blīvuma.
Vispirms apskatīsim cietos datus. Saskaņā ar akadēmisko literatūru no ASV Enerģētikas departamenta laboratorijas, oglekļa nanocaurules (CNT) kompozītmateriālu tipiskais blīvums ir 1,3 g/cm³. Iekšzemes produktu dati arī apstiprina šo lieluma pakāpi - dažu komerciālo produktu patiesais blīvums ir aptuveni 2 g/cm³, bet blīvums ir tikai 0,18 g/cm³. Rezumējot, oglekļa nanocaurules pulvera šķietamais blīvums ir aptuveni 1,3–2,1 g/cm³ diapazonā.
Ko nozīmē šis "vieglums"? Salīdzināsim to ar augstas veiktspējas{0}}metāliem, kas mums ir pazīstami ikdienas dzīvē:
| Materiāls | Blīvums (g/cm³) | Oglekļa nanocaurules pret šo materiālu |
|---|---|---|
| Oglekļa nanocaurules materiāls | 1.3-2.1 | --Pamatlīnija-- |
| Alumīnijs (alumīnija sakausējums) | 2.7 | CNT ir aptuveni par 30–50% vieglāki |
| Titāns (titāna sakausējums) | 4.5 | CNT ir aptuveni par 56–71% vieglāki |
| Tērauds | 7.9 | CNT ir aptuveni par 70–80% vieglāki, ti, tādam pašam tilpumam CNT svars ir tikai 1/6 līdz 1/4 no tērauda svara. |
Lai sniegtu intuitīvu piemēru: parastas automašīnas riteņa rumba, ja tā ir izgatavota no oglekļa nanocaurules kompozītmateriāla, var samazināties no vairāk nekā 20 džiniem (apmēram 10 kg) līdz 5–6 džiniem (apmēram 2,5–3 kg). Jūs to varētu viegli pacelt ar vienu roku.
2. Kāpēc oglekļa nanocaurules ir tik vieglas? Noslēpums slēpjas viņu "nanomēroga figūrā"
Secinājums:Oglekļa nanocaurulēm raksturīgā ultra-gaisma rodas no to unikālās mikrostruktūras - oglekļa atomi ir izvietoti sešstūra šūnveida formā, veidojot apli, veidojot dobu "nanomēroga cauruli", kuras iekšpuse ir gandrīz pilnībā tukša.
Oglekļa nanocaurule būtībā ir "caurule" un tajā pašā laikā caurule nanomērogā.
Tā mikrostruktūra ir šāda: oglekļa atomi ir savienoti viens ar otru ar kovalentām saitēm, veidojot stabilu sešu -locekļu gredzenveida grafēna loksni, un pēc tam šī grafēna loksne tiek "velmēta" cilindrā. Šis cilindrs ir dobs - iekšā nav atomu, ir tikai gaiss vai vakuums. Viena slāņa velmēšana rada vienu -sienu oglekļa nanocauruli (SWCNT); velmējot vairākus slāņus, tiek izveidota daudzsienu oglekļa nanocaurule (MWCNT) ar atstarpi starp slāņiem aptuveni 0,34 nm.
Materiāla svara mērīšanas atslēga: blīvums=Masa/tilpums
Metāli ir pilni ar atomiem, blīvi pildīti, tāpēc tie ir smagi. Oglekļa nanocaurules apvalks sastāv no oglekļa atomiem (oglekļa atomi ir daudz vieglāki nekā dzelzs vai alumīnija atomi), iekšpuse ir tukša, un apvalks ir ārkārtīgi plāns -, tāpēc tilpuma vienībā ir ļoti maz materiāla, tāpēc tas ir dabiski viegls.
Izmantojot virtuves analoģiju:Metāla lāpstiņa ir cieta un smaga; dobi dzeršanas salmiņi ir viegli, jo tiem ir tikai plāna siena uz virsmas. Oglekļa nanocaurule ir "dobu dzeramo salmiņu" molekulārā versija.
3. Patiesi pārsteidzošā lieta nav "vieglums", bet gan "viegla, tomēr spēcīga" kombinācija
Secinājums:Oglekļa nanocauruļu īpatnējā stiprība sasniedz pat 500 MPa·cm³/g, ievērojami pārsniedzot tradicionālo metālu, piemēram, tērauda, alumīnija un titāna, stiprību, padarot to par vienu no augstākajiem starp zināmajiem inženiertehniskajiem materiāliem.
Ja tā būtu tikai "viegla", tā nebūtu īpaša - putuplasta arī ir ļoti viegla, taču tā viegli saspiežas. Oglekļa nanocaurules patiešām padara pārsteidzošas, ka, lai arī tās ir vieglas kā gaiss, tās ir arī neticami spēcīgas.
Kā mēs detalizēti analizējām iepriekšējā rakstā: oglekļa nanocauruļu stiepes izturība var sasniegt 50-200 GPa, kas ir 100 reizes lielāka nekā tērauda. Ja šie dati tiek reizināti ar “viegluma” dimensiju, mēs iegūstam metriku, kas padara inženierus trakus — īpatnējo spēku (stiprums ÷ blīvums).
Apskatiet šo salīdzināmo datu kopu:
| Materiāls | Blīvums (g/cm³) | Stiepes izturība (MPa) | Īpatnējais stiprums (MPa·cm³/g) |
|---|---|---|---|
| Oglekļa nanocaurules kompozīts | 1.3 | ~650 | 500 |
| Alumīnijs (7075-T6) | 2.7 | 572 | 212 |
| Titāns (Ti-6Al-4V) | 4.5 | 950 | 211 |
| Tērauds (A36) | 7.9 | 400 | 51 |
Jo lielāka ir īpatnējā izturība, jo lielāka ir slodzes{0}}nestspēja konkrētam svaram. Oglekļa nanocauruļu (500) īpatnējā stiprība ir gandrīz 10 reizes lielāka nekā tērauda (51) - no tāda paša svara oglekļa nanocaurulēm izgatavota virve var izturēt gandrīz 10 reizes lielāku slodzi nekā tērauda stiepļu trose.
Tāpēc zinātnieki plāno izmantot oglekļa nanocaurules, lai izveidotu kosmosa liftu -, jo tikai materiāls, kas ir "viegls kā spalva, stiprs kā tērauds", iespējams, varētu izveidot kabeli, kas stiepjas no Zemes kosmosā.
4. Rūpnieciskā revolūcija, ko radīja "Lightness": 40% svara samazināšana, 25% degvielas ietaupījums
Secinājums:Oglekļa nanocauruļu kompozītmateriāli jau ir panākuši svara samazināšanas efektu līdz pat 40% aviācijas un automobiļu rūpniecībā, kas tieši nozīmē degvielas efektivitātes uzlabošanos par 20–25%.
"Vieglums" nav tikai skaitļu spēle; tas jūtami maina industriālo ainavu.
Saskaņā ar pārskata rakstu starptautiskajā akadēmiskajā žurnālāMateriālzinātne un inženierzinātnes: R, oglekļa nanocauruļu kompozītmateriāli ir parādījuši lielu potenciālu aviācijas un automobiļu rūpniecībā: strukturālo komponentu svaru var samazināt līdz pat 40%, vienlaikus saglabājot vai pat uzlabojot mehāniskās īpašības.
Apskatīsim reālus{0}}lietotņu piemērus:
| Pieteikuma lieta | Oglekļa nanocaurules kompozīta loma | Faktiskais efekts |
|---|---|---|
| Boeing 787 Dreamliner | Fizelāžas konstrukcijas sastāvdaļas | Degvielas efektivitātes uzlabojums par 20-25%. |
| BMW i3 elektriskais transportlīdzeklis | Korpusa paneļi | 30% svara samazināšana |
| KIST oglekļa nanocaurules motors (Koreja) | Motora tinumu spoles | Motora masas samazinājums par aptuveni 25%. |
Īpaši vērts pieminēt Boeing 787 gadījumu. Šajā "Dreamliner" plaši tiek izmantoti uzlaboti kompozītmateriāli (tostarp ar oglekļa nanocaurules{2}}pastiprināti materiāli), ne tikai panākot ievērojamu svara samazinājumu, bet arī ļaujot šai lielajai lidmašīnai ietaupīt vairāk nekā 20% degvielas, salīdzinot ar līdzīgiem modeļiem. Korejas Zinātnes un tehnoloģiju institūts (KIST) pat gāja soli tālāk un tieši uzbūvēja motoru bez metāla spolēm, - aizstājot vara stiepli ar oglekļa nanocaurules stiepli, kā rezultātā motora svars bija tikai viena-piektā daļa no vara motora svara.
Lidmašīnai:Degvielas ietaupījums=lido tālāk + zemākas biļešu cenas + samazinātas oglekļa emisijas.
Elektriskajam transportlīdzeklim:Svara samazināšana=lielāks diapazons + ātrāks paātrinājums + mazāks akumulators.
Vieglums ir zelts; vieglums ir konkurētspēja.
5. Shandong Tanfeng jauns materiāls: "Viegluma" pārvēršana pērkamos produktos
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. masveidā-ražo un ražo oglekļa nanocauruļu "īpaši vieglās" īpašības, apkalpojot augstākās-nozares ražošanas nozares, piemēram, kosmosa un jaunus enerģijas transportlīdzekļus.
Lai oglekļa nanocaurules no "brīnumateriāla" laboratorijā pārvērstu par rūpniecisku izejvielu, ko inženieri var pasūtīt, ir nepieciešami uzņēmumi, kas patiesi pārvalda liela mēroga{0}}ražošanas tehnoloģijas.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. ir tieši šāds uzņēmums.
Ko tas dara?
Uzņēmums koncentrējas uz daudzsienu oglekļa nanocauruļu (MWCNT), viensienu oglekļa nanocauruļu (SWCNT), funkcionalizētu oglekļa nanocauruļu, vadošu pastu un iepriekš{2}}izkliedētu produktu pētniecību un izstrādi un ražošanu. Produkta tīrība ir lielāka vai vienāda ar 97,5%, Fe, Co un Ni katalizatoru atlikušie piemaisījumi ir mazāki vai vienādi ar 0,5 ppm, caurules diametra sadalījums ir šaurs, un partijas -to{7}}konsekvence CV ir<5%.
Tās galvenās kompetences:
| Priekšrocību izmērs | Konkrēts saturs |
|---|---|
| Pamatprocess | Gāzes{0}}fāzes (CVD) ražošana; caurules diametrs kontrolējams, partijas stabilas |
| Produktu matrica | Pilns vienas{0}}sienu/vairāku{1}}sienu pārklājums; pielāgojama funkcionalizācija (-COOH, -OH utt.) |
| Lietošanas norādījumi | Septiņas galvenās jomas, tostarp jauni enerģijas transportlīdzekļi, aviācija, dzelzceļa tranzīts, vēja enerģija, ūdeņraža enerģijas uzglabāšana |
| Unikāla spēja | Visa ķēde neatkarīgi vadāma no katalizatora līdz galaproduktam |
| Pārbaudīti rezultāti | Nodrošina vadošu pastu vadošajiem iekšzemes enerģijas akumulatoru uzņēmumiem, jau panākot elektrodu loksnes pretestības samazinājumu par 30%. |
Tanfeng New Material arī nodrošina PA12 nesēju daudzsienu oglekļa nanocaurules Eiropas automobiļu detaļu piegādātājiem, kas atbilst stingrajām anti-statiskajām prasībām degvielas padeves caurulēm. Kad tādiem uzņēmumiem kā BMW un Boeing ir nepieciešami augstas veiktspējas-viegli materiāli, oglekļa nanocaurules no attālas laboratorijas koncepcijas pārvēršas par taustāmiem produktiem Ķīnas uzņēmumu, piemēram, Tanfeng, plauktos.
Kopsavilkums: ko nozīmē oglekļa nanocauruļu "vieglums"?
| Perspektīva | Galvenais secinājums |
|---|---|
| Dati | Blīvums 1,3–2,1 g/cm³, tikai 1/6 no tērauda blīvuma, vieglāks par alumīniju |
| Princips | "Dobās nanomēroga caurules" struktūra ar plānām-sienām un dobu iekšpusi, dabiski viegls |
| Performance | Īpatnējā izturība 500 MPa·cm³/g, gandrīz 10 reizes lielāka nekā tēraudam, viegla, bet izturīga |
| Rūpniecība | Sasniedz 40% svara samazinājumu un 25% degvielas ietaupījumu; jau pārbaudīts uz Boeing 787 un BMW i3 |
| Realitāte | Tādi uzņēmumi kā Shandong Tanfeng New Material to masveidā{0}}ražo rūpnieciskai lietošanai |
Oglekļa nanocauruļu "vieglums" nekad nav bijis tikai vienkāršs zema{0}}blīvuma skaitlis. Tas ir par vislielākās slodzes pārvadāšanu ar mazāko masu, spēcīgākās veiktspējas sasniegšanu ar vismazāko materiālu un augstākās efektivitātes radīšanu ar vieglākajām sastāvdaļām.
Kad Shandong Tanfeng New Material nepārtraukti "pūš" šo melno pulveri no rūpnīcas -, kas ir vieglāks par gaisu (saspiestā stāvoklī), bet stiprāks par tēraudu -, tas norāda, ka materiālu pasaules "vieglā ēra" patiešām ir pienācis.