Materiālzinātnes priekšgalā oglekļa nanocaurules ar izcilām mehāniskajām, elektriskajām un termiskajām īpašībām pakāpeniski pāriet no laboratorijas uz liela mēroga{0}}rūpnieciskiem lietojumiem. Konkurējot ar grafēnu un oglekļa šķiedru, kas arī pieder oglekļa saimei, inženieri un pētniecības un attīstības personāls bieži saskaras ar "izvēles grūtībām". Šajā rakstā tiks padziļināti analizētas būtiskās atšķirības starp šiem trīs zvaigžņu materiāliem, un kopā ar pamatinformāciju un praktiskiem gadījumiem tiks nodrošināts skaidrs lēmumu pieņemšanas pamats, izvēloties oglekļa nanocaurules vadošās piedevas un stiegrojuma materiālus. Mēs ne tikai izšķirsim atšķirības starp oglekļa nanocaurulēm un oglekļa šķiedru, bet arī apspriedīsim, kurš materiāls ir piemērotāks jūsu īpašajām vajadzībām, apvienojumā ar faktisko ražošanas pieredzi Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd.
1. Oglekļa nanocaurules, grafēns un oglekļa šķiedra: būtiskas atšķirības un raksturlielumu salīdzinājums
Būtiskā atšķirība starp trim ir ģeometriskā dimensija, kas nosaka to pilnīgi atšķirīgās lomas kompozītmateriālos.
Lai saprastu, kas ir piemērotāks, mums vispirms skaidri jāredz viņu "izskats". Mēs varam salīdzināt oglekļa nanocauruļu, grafēna un oglekļa šķiedras fiziskos pamatparametrus, izmantojot intuitīvu tabulu:
| Materiāla nosaukums | Mikrostruktūras izmēri | Diametrs/biezums | Vadītspēja (S/cm) | Blīvums (g/cm³) | Raksturīgie atslēgvārdi |
|---|---|---|---|---|---|
| Oglekļa nanocaurules | Viena{0}}dimensijas (cauruļveida) | 1-20 nm | 10³ - 10⁴ | 1.3 - 1.75 | Īpaši augsta malu attiecība, doba struktūra, augsta izturība |
| Grafēns | Divu{0}}dimensiju (loksne) | <1 nm (monolayer) | Līdz 10⁴ | 1.06 | Milzīgs īpatnējais virsmas laukums, lieliska vadītspēja plaknē{0} |
| Oglekļa šķiedra | Vienas{0}}dimensijas (šķiedru, mikronu{1}}mēroga) | 5-10 μm | ~10⁴ | ~2 | Makroskopiska nepārtraukta armatūra, augsts modulis |
Oglekļa nanocaurules var uzskatīt par bezšuvju caurulēm, kas izveidotas, sarullējot grafēna loksnes. Šī "velmēšana" piešķir tiem unikālas īpašības. No otras puses, oglekļa šķiedra ir vairāk kā makroskopisks "vadu kūlis", kas sastāv no neskaitāmiem mazākiem kristalītiem, kurus galvenokārt izmanto makroskopisku mehānisku slodžu izturēšanai. Litija bateriju jomā oglekļa nanocaurules vadošās piedevas, pateicoties to lineārajam "punkta-līnijas" kontakta režīmam, var efektīvāk veidot vadošus tiltus starp aktīvajiem materiāliem, un tā ir priekšrocība, kas nav tradicionālajām granulētām vadošajām piedevām (piemēram, ogle). Pētījumi liecina, ka litija dzelzs fosfāta katodos dubultsienu oglekļa nanocaurules kā vadošas piedevas pārspēj vienas -sienu oglekļa nanocaurules un oglekli, uzrādot augstāku vadītspēju un adhēziju.
2. Kura ir vairāk piemērota kā vadoša piedeva? - Litija bateriju un kompozītmateriālu veiktspējas spēle
Vadošo piedevu lietojumos oglekļa nanocaurules lieliski uzlabo ātruma spēju un cikla ilgumu. Grafēns saskaras ar dispersijas grūtībām, savukārt oglekļa šķiedru tās izmēra dēļ ir grūti izmantot nanomēroga vadošu tīklu konstruēšanai.
Litija{0}}jonu akumulatoros vadošās piedevas izvēle tieši ietekmē iekšējo pretestību un enerģijas blīvumu. Oglekļa nanocaurules (īpaši daudzsienu oglekļa nanocaurules) un grafēns ir pašreizējie pētniecības karstie punkti.
Vadoša tīkla būvniecības efektivitāte:Oglekļa nanocaurulēm ir ārkārtīgi augsta malu attiecība (nanomēroga diametrs, mikronu-mēroga garums), kas ļauj tām izveidot līniju-kontaktvadošu tīklu elektrodu materiālos, ievērojami uzlabojot elektronu transportēšanas efektivitāti un samazinot nepieciešamo vadošās piedevas daudzumu (tādējādi palielinot enerģijas blīvumu). Turpretim, lai gan grafēnam ir ārkārtīgi augsta -plaknes vadītspēja, kā divdimensiju lokšņu materiālam, nevienmērīga dispersija var kavēt litija jonu difūziju. Oglekļa šķiedra tās pārāk lielā diametra (mikronu{6}}mēroga) dēļ nevar veidot vienmērīgu sadalījumu elektroda loksnē, un to parasti neizmanto kā iekšēju vadošu piedevu litija akumulatoriem, bet gan makroskopisku vadošu elektrodu sagatavošanai.
Izkliedes problēmas:Visi trīs saskaras ar izkliedes problēmām, taču dažādās pakāpēs. Oglekļa nanocaurules ir ļoti pakļautas aglomerācijai, un parasti no tām ir jāizveido iepriekš-izkliedēta vadoša pasta izmantošanai. Shandong Tanfeng New Material nodrošinātā oglekļa nanocaurules vadošā pasta ir paredzēta šīs problēmas risināšanai, nodrošinot maksimālu efektivitāti anoda un katoda materiālos, izmantojot profesionālus dispersijas procesus.
Shandong Tanfeng jaunā materiāla priekšrocības:Kā profesionāls oglekļa nanocauruļu ražotājs Shandong Tanfeng New Material ne tikai nodrošina vienas{0}}sienu/vairāku{1}}sienu oglekļa nanocaurules pulveri ar tīrību, kas ir lielāka par vai vienāda ar 98%, bet arī gada ražošanas jauda ir 10 000 tonnas un nobriedušu oglekļa nanocauruļu vadošās pastas sagatavošanas tehnoloģija, kas efektīvi risina pakārtotās klientu dispersijas problēmas.
3. Kurš ir vairāk piemērots kā pastiprinošais materiāls? - Mehānisko īpašību un kompozītmateriālu pastiprināšanas loģika
Kompozītmateriālu stiegrojumā oglekļa šķiedra dominē makroskopiskajās mehāniskajās īpašībās, oglekļa nanocaurules nodrošina "in-situ pastiprinājumu" nanomērogā, un grafēna veiktspēja ir starp šīm divām īpašībām.
Ja šos trīs materiālus pievieno kā pastiprinājumu polimēru, metāla vai keramikas matricām, to darbības mehānismi ir pilnīgi atšķirīgi:
Oglekļa šķiedra: makroskopiskā stiegrojuma "armatūra".
Oglekļa šķiedra ir makroskopisku kompozītmateriālu "skelets". Ražojot lidmašīnu fizelāžas, vēja turbīnu lāpstiņas vai augstas veiktspējas -automobiļu daļas, ar oglekļa šķiedru pastiprināti kompozītmateriāli ir pazīstami ar to ārkārtīgi augsto izturību un moduli. Tie atrisina stīvuma un stiprības problēmas makroskopiskā līmenī.
Oglekļa nanocaurules: "saistviela" un "siltuma aģents" nanomērogā
Atšķirība starp oglekļa nanocaurulēm un oglekļa šķiedru ir tāda, ka oglekļa nanocaurules galvenokārt izmanto nano/mikro mēroga pastiprināšanai. To pievienošana oglekļa šķiedras kompozītmateriāliem var ievērojami uzlabot starpslāņu bīdes izturību un noguruma izturību. Piemēram, pētījumi ir parādījuši, ka pēc neliela daudzuma modificētu oglekļa nanocauruļu pievienošanas oglekļa šķiedras kompozītmateriālu stiepes izturība var tikt palielināta par vairāk nekā 32,97%. Oglekļa nanocaurules darbojas kā "nano-kniedes", kas tiek piestiprinātas starp šķiedrām un sveķiem, lai novērstu plaisu izplatīšanos.
Grafēns: divu{0}}dimensiju "plākstera" pastiprinājums
Grafēna lielais īpatnējās virsmas laukums nodrošina lielu saskares laukumu ar matricu. Dažos termoreaktīvos sveķos to pastiprinošais efekts ir pat labāks nekā daudzsienu oglekļa nanocaurules. Tomēr praktiskos lietojumos grafēna orientācijas kontrole ir grūtāka nekā oglekļa nanocaurulēm.
| Pastiprināšanas scenārijs | Vēlamais materiāls | Iemesls |
|---|---|---|
| Makroskopiskas konstrukcijas sastāvdaļas (piemēram, automašīnu virsbūves) | Oglekļa šķiedra | Nodrošina ārkārtīgi augstu stiepes izturību un moduli, kas kalpo kā primārā slodzes-nesošā fāze. |
| Polimēru anti-statiska/statiska-izkliedējoša modifikācija | Oglekļa nanocaurules | 2-3% pievienošana ievērojami uzlabo vadītspēju, nodrošina pastāvīgu antistatisko veiktspēju un minimāli ietekmē matricas krāsu. |
| Uzlabo epoksīda sveķu izturību pret lūzumiem | Oglekļa nanocaurules | Patērē plaisu enerģiju, izmantojot plaisu tiltus un{0}}izvilkšanas efektus. |
| Augstas veiktspējas{0}}aviācijas un kosmosa kompozītmateriāli | Oglekļa nanocaurules / grafēna sinerģija | Sinerģiski pārveidojot oglekļa šķiedru ar oglekļa nanocaurulēm un grafēnu, tiek panākts "stingrs un elastīgs" vairāku mērogu pastiprinājums. |
Pievienojot 0,6 masas% oglekļa nanocaurules, kompozītmateriāla stiepes izturība palielinājās par 33,59%, savukārt, pievienojot tādu pašu grafēna daudzumu, palielinājās par 45,94%. Tas parāda, ka dažādās matricu sistēmās abu veiktspēja atšķiras.
4. Kā izdarīt gudru izvēli?
Kuru materiālu izvēlēties, ir atkarīgs no jūsu pielietojuma scenārija -, ja tas ir paredzēts litija bateriju elektriskās veiktspējas uzlabošanai, oglekļa nanocaurules ir ļoti daudzsološa izvēle; ja tas ir paredzēts makroskopiskai konstrukcijas pastiprināšanai, oglekļa šķiedra ir neaizvietojama; ja tiek veikta daudzfunkcionāla modifikācija nanomērogā, gan oglekļa nanocaurulēm, gan grafēnam ir savas stiprās puses, taču oglekļa nanocaurules ir universālāk pielietojamas malu attiecības un visaptverošas veiktspējas ziņā.
Izvēlieties oglekļa nanocaurules:Ja vēlaties sasniegt maksimālu elektrisko vadītspēju (jo īpaši oglekļa nanocaurules vadošās piedevas), jāuzlabo kompozītmateriālu izturība pret nogurumu vai jāveic nanomēroga modifikācijas, tas ir neapstrīdams "vispusīgākais". Īpaši tādēļ, ka vietējie ražotāji, piemēram, Shandong Tanfeng New Material, panāk liela mēroga-ražošanu, izmaksas strauji samazinās, un ir ievērojami pazemināts slieksnis rūpnieciskai lietošanai.
Izvēlieties oglekļa šķiedru:Ja nepieciešams ražot lielas detaļas, kas iztur lielas slodzes, tradicionālā oglekļa šķiedra joprojām ir nesatricināms stūrakmens.
Izvēlieties grafēnu:Ja jūs īpaši novērtējat siltumvadītspēju vai barjeras īpašības un varat atrisināt dispersijas un izmaksu problēmas, grafēnam ir savas unikālas priekšrocības.
Nākotnē oglekļa nanocaurulēm, pateicoties to unikālajai -dimensijas struktūrai, īpaši augstajai malu attiecībai un arvien pieaugošajai oglekļa nanocauruļu vadošās pastas tehnoloģijai, būs neierobežotas perspektīvas jaunā enerģētikā, aviācijā un augstākās kvalitātes{2}}ražošanā. Oglekļa nanocauruļu dispersijas tehnoloģijas un kompozītmateriālu modifikācijas procesu apgūšana būs atslēga, lai izmantotu jaunu materiālu augsto pamatu.