Kas ir “cietāks”, oglekļa nanocaurules (CNT) vai dimants? Atbilde ir atkarīga no tā, vai jūs uz to izdarīsiet spiedienu. Runājot par Mosa cietību, abas ir salīdzināmas - oglekļa nanocauruļu cietība ir salīdzināma ar dimanta cietību. Runājot par Vickers cietību, dabiskā stāvoklī esošās oglekļa nanocaurules (185,1 HV) ir daudz zemākas par dimantu (apmēram 10 000 HV). Bet brīnums notiek, kad oglekļa nanocaurules tiek auksti saspiestas: tās var izveidot īpaši cietu fāzi ar tilpuma moduli 447 GPa, un cietības vērtība pieaug no sākotnējā 185,1 HV līdz 241 GPa (24 100 HV), kas ir 4 reizes vairāk nekā neapstrādātā dimanta (aptuveni 60 GPa). Tas nozīmē: normālos apstākļos dimants ir cietāks; pēc augsta spiediena apstrādes oglekļa nanocaurules var pārspēt dimantu un kļūt par "īpaši cieto materiālu karali". Shandong Tanfeng New Material ir augstas-tīrības pakāpes daudzsienu/viensienu{19}}oglekļa nanocaurules, kas kalpo kā ideāls izejmateriāls tik augstas veiktspējas pētījumiem.
1. Vispirms definējiet standartu: divi “cietības” veidi, divas atbildes
Secinājums:Kas ir “cietāks”, oglekļa nanocaurules vai dimants? Tas ir atkarīgs no tā, kāda veida cietība tiek mērīta - Mosa cietība, Vikersa cietība un tilpuma modulis pēc ultra-augstspiediena fāzes transformācijas, sniedz pilnīgi atšķirīgas atbildes.
Terminam "cietība" materiālu zinātnē ir vismaz trīs nozīmes. Dažādas mērīšanas metodes un dažādi apstākļi sniedz pilnīgi atšķirīgus secinājumus:
| Cietības veids | Mērīšanas metode | Dimanta tipiskā vērtība | Oglekļa nanocaurules tipiskā vērtība |
|---|---|---|---|
| Mosa cietība | Skrāpējiet minerālus viens pret otru | 10 (augstākais) | Salīdzināms ar dimantu |
| Vickersa cietība (normāls stāvoklis) | Dimanta ievilkšanas iespiešana | Apmēram 10 000 HV (apmēram 100 GPa) | 185,1 HV (kompozītmateriāls) |
| Vickers cietība (augsta{0}}spiediena fāze) | Mērīts pēc aukstās kompresijas | Apmēram 100-150 GPa | 241 GPa (nanotwinned dimanta saišķi, kas izgatavoti no CNT) |
| Lielapjoma modulis | Izturība pret saspiešanu | Aptuveni 440-442 GPa | Aukstā saspiestā fāze 447 GPa |
Galvenā atšķirība ir:Oglekļa nanocauruļu izmērītā cietības vērtība to dabiskajā stāvoklī ir salīdzinoši zema (īpaši kompozītmateriālos), bet, tiklīdz tās tiek pakļautas galējai saspiešanai, tās pārvēršas īpaši cietā fāzē, kas ir cietāka par dimantu.
Piezīme. Oglekļa nanocaurules kompozītmateriāla (piemēram, CNT/2024 alumīnija sakausējuma) Vickers cietība ir aptuveni 185 HV. Šī vērtība atspoguļo kompozītmateriāla kopējo cietību, nevis pašu oglekļa nanocauruļu cietību. Pētījumi par atsevišķu oglekļa nanocauruļu cietību galvenokārt tiek veikti ultra-augstspiediena fāzes transformācijas jomā.
2. Normālā stāvokļa kāršu atklāšana: Mosa cietības pakāpe, Vickers Hardness Diamond uzvar
Secinājums:"Normālos" apstākļos (normāls spiediens, istabas temperatūra), ar kuriem sastopamies ikdienā, dimants ir absolūts cietības karalis. Oglekļa nanocauruļu cietības rādītāji galvenokārt ir atkarīgi no kompozītmatricas.
2.1 Mosa cietība: kakls un kakls
No "savstarpējās skrāpēšanas" viedokļa oglekļa nanocauruļu cietība ir "salīdzināma" ar dimanta cietību.
Oglekļa nanocaurules sastāv no oglekļa atomiem, kas savienoti ar sp² kovalentajām saitēm, veidojot sešu -locekļu gredzena struktūru, savukārt dimants sastāv no sp³ kovalento saišu trīsdimensiju karkasa. Abas ir oglekļa -oglekļa saites - viena no stabilākajām ķīmiskajām saitēm dabā. Tāpēc, skrāpējot viens otru, nevienam nav skaidras priekšrocības pār otru.
Nespeciālista izteiksmē:Dimants var skrāpēt stiklu, un oglekļa nanocaurules var arī skrāpēt stiklu - šajā dimensijā, un abi sakrīt.
2.2 Vickers cietība: dominē dimants
Vickers cietību mēra, iespiežot dimanta ievilkumu materiāla virsmā un izmērot ievilkuma dziļumu. Šajā testā parastā stāvokļa oglekļa nanocaurules ir daudz zemākas par dimantu:
| Materiāls | Vikersa cietība |
|---|---|
| Dimants | Aptuveni 100 GPa lielums (10 000 HV) |
| Oglekļa nanocaurules/alumīnija sakausējuma kompozīts | Maksimālais aptuveni 185,1 HV pēc cieta šķīduma + novecošanas apstrādes |
Atšķirība ir aptuveni 50 reizes.
Bet šeit ir galvenais punkts: 185 HV mēra "oglekļa nanocaurule + alumīnija sakausējums", viss - pētījums, kas patiesi atspoguļo pašu oglekļa nanocauruļu cietību, tiek veikts, izmantojot citu laboratorijas "ultra-augsta spiediena" sistēmu.
3. "Pārvērtības" brīdis: piespiediet oglekļa nanocaurules, tās kļūst cietākas par dimantu
Secinājums:Kad oglekļa nanocaurules tiek auksti saspiestas līdz aptuveni 75 GPa (750 000 atmosfēru), tās pārvēršas jaunā īpaši cietā oglekļa fāzē ar tilpuma moduli, kas pārsniedz dimanta moduli.
Šis ir īstais oglekļa nanocauruļu "trumpis".
3.1. Aukstās saspiešanas eksperiments: 75 GPa iedarbināšanas fāzes pāreja
2004. gadā komanda, kuru vadīja Zhongwu Wang Arizonas Universitātē, publicēja nozīmīgu pētījumuPNAS. Viņi ievietoja daudzsienu oglekļa nanocaurules dimanta laktas šūnā un paaugstināja spiedienu līdz aptuveni 100 GPa (apmēram 1 miljonam atmosfēru). Viņi atklāja, ka pie aptuveni 75 GPa oglekļa nanocaurules pārvērtās par pilnīgi jaunu sešstūra oglekļa fāzi.
Galvenie dati:
| Parametrs | Vērtība |
|---|---|
| Lielapjoma modulis | 447 GPa (ar fiksētu K′=4), pārsniedzot dimanta aptuveni 440–442 GPa |
| Blīvums | 3,6±0,2 g/cm³, salīdzināms ar dimantu |
| Atgūstamība | Šī fāze pēc spiediena izlaišanas tika saglabāta apkārtējā vidē |
Tilpuma modulis ir materiāla “saspiešanas pretestības” rādītājs -, jo lielāks ir tilpuma modulis, jo grūtāk materiālu ir saspiest zem spiediena. Oglekļa nanocauruļu augsta spiediena fāze šajā indikatorā pārspēj dimantu.
3.2. Nanotwinned Diamond Bundles: rekords-241 GPa
2021. gadā Janšaņas universitātes profesora Džao Džišena un profesora Sju Bo vadītā komanda publicēja pētījumuPNAS. Izmantojot augsti orientētas daudzsienu oglekļa nanocauruļu plēves kā prekursorus, viņi sintezēja dimantu ar īpaši orientētiem nanodvīņotiem kūļiem, izmantojot augstas -spiediena augstas{3}}temperatūras (HPHT) apstrādi.
Pārsteidzošākie rezultāti:
| Parametrs | Vērtība |
|---|---|
| Knoop cietība | Līdz 241 GPa, kas ir par vairāk nekā 20% augstāks nekā iepriekšējais pasaules rekords |
Ko nozīmē 241 GPa? Neapstrādāta dimanta (dabiskā dimanta) Knoop cietība parasti ir no 60 līdz 100 GPa. Tas nozīmē, ka no oglekļa nanocaurulēm pārveidotais "nanotwinned saišķa dimants" ir 2-4 reizes cietāks par parasto dimantu.
Eksperiments arī atklāja, ka šim materiālam piemīt ievērojama mehāniskā anizotropija: cietība mainās atkarībā no nanodvīņu saišķu orientācijas, un visaugstākā cietība tiek sasniegta, kad ievilkums ir perpendikulārs dvīņu saišķiem.
4. “Teorētiskie griesti”: trīs-dimensiju kovalentās oglekļa nanocaurules
Secinājums:Teorētiskie aprēķini paredz, ka dažu trīsdimensiju kovalento oglekļa nanocauruļu polimēru Vikersa cietība varētu sasniegt virs 40 GPa, kas atrodas starp kubisko bora nitrīdu un dimantu.
Papildus eksperimentālajai sintēzei zinātnieki ir izmantojuši pirmos{0}}principu aprēķinus, lai prognozētu īpaši cietos oglekļa nanocaurules polimērus, kas vēl nav sintezēti.
| Struktūras nosaukums | Vikersa cietība | Joslas īpašības |
|---|---|---|
| CNP{0}}oC36 | 40,4 GPa | Netiešs joslas spraugas pusvadītājs (1,29 eV) |
| CNP{0}}oC40 | 37,1 GPa | Netiešs joslas spraugas pusvadītājs (0,67 eV) |
These structures can be considered as three-dimensional covalent crosslinked networks of carbon nanotubes with different chiralities. Their Vickers hardness has already entered the "ultrahard material" range (>40 GPa parasti tiek uzskatīts par īpaši cieto materiālu slieksni).
Lai gan pagaidām vēl ir teorētiskā stadijā, šīs prognozes liecina, ka oglekļa nanocauruļu potenciāls pārveidoties par trīsdimensiju īpaši cietām struktūrām ievērojami pārsniedz pašreizējo izpratni.
5. Viena tabula, kas jāsaprot: kura ir "grūtāka"?
| Pārbaudes stāvoklis/stāvoklis | Dimants | Oglekļa nanocaurule | Uzvarētājs |
|---|---|---|---|
| Mosa cietība (skrāpējumi) | 10 | Salīdzināms ar dimantu | Kaklasaite |
| Normālā stāvoklī Vickers cietība | ~100 GPa | 185 HV (kompozītmateriāls) | Dimants |
| Lielapjoma modulis pēc aukstās kompresijas | ~440 GPa | 447 GPa | Oglekļa nanocaurule |
| Augsta{0}}spiediena fāzes Vickers cietība | ~100 GPa | 241 GPa | Oglekļa nanocaurule |
Galīgā atbilde:
Normālos apstākļos:Dimants ir "cietāks". Parastā stāvokļa pārbaudēs dimanta Vickers cietība ievērojami pārsniedz oglekļa nanocauruļu kompozītmateriālu cietību.
Zem spiediena:Oglekļa nanocaurules ir "cietākas". Ja oglekļa nanocaurules tiek saspiestas virs 75 GPa, tās pārvēršas par īpaši cietu materiālu, kas ir cietāks par dimantu - neatkarīgi no tā, vai tilpuma modulis (447 pret 440 GPa) vai Vikersa cietība (241 pret ~ 100 GPa) pārsniedz dimantu.
Oglekļa nanocaurules ir kā "kara dievs" materiālu pasaulē -, kas normālos apstākļos šķiet parasts, taču, tiklīdz to "trešā acs atveras" (tiek pielikts galējs spiediens), to cietība acumirklī pārspēj dimantu, kļūstot par "īpaši cieto materiālu karali".
6. Shandong Tanfeng jauns materiāls: oglekļa nanocauruļu rūpniecības "izejvielu bāze"
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. nodrošina augstas -tīrības pakāpes (lielāka par vai vienāda ar 98%) daudz-sienu/-sienu oglekļa nanocaurules pulveri, kas kalpo kā ideāls izejmateriāls visprogresīvāko pētījumu veikšanai, piemēram, augsta spiediena fāzes pārejām.
Neatkarīgi no tā, vai tas ir Janšaņas Universitātes rekords,{0}}pārspējot 241 GPa pētījumu vai Arizonas Universitātes 75 GPa aukstās kompresijas fāzes pārejas pētījumu, abu izejas punkts ir augstas-kvalitatīvās oglekļa nanocauruļu izejvielas.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. ir tieši "avota jauda" šajā ceļā no "izejvielas līdz ultrahard".
| Priekšrocību izmērs | Tanfeng jaunā materiāla stiprums |
|---|---|
| Produktu matrica | Pilns vienas{0}}sienu/dubultsienu-sienu/vairāku{2}}sienu oglekļa nanocauruļu klāsts (SWCNT/DWCNT/MWCNT) |
| Produkta tīrība | Lielāka vai vienāda ar 98%, laba partijas konsistence |
| Sagatavošanas procesi | Loka izlāde, lāzerablācija, ķīmiskā tvaiku pārklāšana (CVD); vairāku procesu meistarība |
| Galvenie parametri | TF-210 sērija utt.; daļiņu izmērs 5-15 μm |
| Mehāniskās īpašības | Teorētiskais Janga modulis līdz 5 TPa; stiprība 100 reizes lielāka nekā tēraudam; svars 1/6 no tērauda svara |
| Lietojumprogrammas izkārtojums | Septiņi stratēģiskie virzieni, tostarp jauni enerģijas transportlīdzekļi, kosmosa un dzelzceļa tranzīts |
Janšaņas universitātes komanda spēja sintezēt pasaules{0}}rekordmateriālu ar "Knoop cietību 241 GPa", pamatojoties uz augstas kvalitātes oglekļa nanocauruļu prekursoriem. Tā kā 20 gadus rūpniecībā ir uzkrājušies oglekļa materiāli, Tanfeng New Material nodrošina stabilu un uzticamu izejmateriālu garantiju šādiem progresīvajiem pētījumiem.
Secinājums: kas ir grūtāk? Atbilde - Dimants normālos apstākļos, oglekļa nanocaurules zem spiediena
| valsts | Grūtāk | Galvenie dati |
|---|---|---|
| Normāls spiediens un temperatūra | Dimants | Vickers cietība aptuveni 100 GPa pret CNT kompozītmateriālu 185 HV |
| High Pressure (>75 GPa) | Oglekļa nanocaurules | tilpuma modulis 447 GPa pārsniedz dimantu; 241 GPa ir četras reizes lielāks par dimantu |
Debates par oglekļa nanocauruļu un dimanta cietību galu galā sniedz atbildi, ka funkcija - ir "spiediena" funkcija. Piespiediet oglekļa nanocaurules, un tās pārspēs dimantu, lai kļūtu par "īpaši cieto materiālu karali".
Tas ir oglekļa nanocauruļu galvenais šarms: tās var būt pietiekami "mīkstas", lai saritinātos nanomēroga vados, un pietiekami "cietas", lai pārspētu dimantu. No Janšaņas Universitātes 241 GPa rekorda līdz Tanfeng New Material stabilajai izlaidei ar 98% tīrības oglekļa nanocaurulēm, šīs "debates par cietību" virzās no akadēmiskās izpētes uz rūpniecisku transformāciju.