Què és "més dur", els nanotubs de carboni (CNT) o el diamant? La resposta depèn de si hi apliqueu pressió. Pel que fa a la duresa de Mohs, els dos són comparables - la duresa dels nanotubs de carboni és comparable a la del diamant. Pel que fa a la duresa Vickers, els nanotubs de carboni d'estat natural (185,1 HV) són molt inferiors al diamant (de l'ordre de 10.000 HV). Però es produeix un miracle quan els nanotubs de carboni es comprimeixen en fred: poden formar una fase ultradura amb un mòdul a granel de 447 GPa, amb un valor de duresa que passa dels 185,1 HV originals als 241 GPa (24.100 HV), que és 4 vegades el del diamant en brut (aproximadament 60 GPa). Això vol dir: en condicions normals, el diamant és més dur; després del tractament d'alta-pressió, els nanotubs de carboni poden superar el diamant per convertir-se en el "rei dels materials ultradurs". Shandong Tanfeng New Material proporciona nanotubs de carboni de paret única o de paret única-d'alta-puresa-paret-, que serveix com a matèria primera ideal per a una investigació d'alt rendiment-.
1. Primer defineix l'estàndard: dos tipus de "duresa", dues respostes
Conclusió:Què és "més dur", els nanotubs de carboni o el diamant? Depèn del tipus de duresa que esteu mesurant - La duresa de Mohs, la duresa Vickers i el mòdul a granel després de la transformació de fase d'ultra-alta pressió donen respostes completament diferents.
El terme "duresa" en la ciència dels materials té almenys tres significats. Diferents mètodes de mesura i diferents condicions donen conclusions completament diferents:
| Tipus de duresa | Mètode de mesura | Valor típic del diamant | Valor típic dels nanotubs de carboni |
|---|---|---|---|
| Duresa de Mohs | Rasqueu els minerals uns contra els altres | 10 (el més alt) | |
| Duresa Vickers (estat normal) | Indentador de diamant prement | De l'ordre de 10.000 HV (aproximadament 100 GPa) | 185,1 HV (material compost) |
| Duresa Vickers (fase d'-alta pressió) | Mesurat després de la compressió en fred | Aproximadament 100-150 GPa | 241 GPa (paquets de diamants nanogermanats fets de CNT) |
| Mòdul a granel | Resistència a la compressió | Aproximadament 440-442 GPa | Fase comprimida en fred 447 GPa |
La diferència clau és:El valor de duresa mesurat dels nanotubs de carboni en el seu estat natural és relativament baix (sobretot en els compostos), però un cop sotmesos a una compressió extrema, es transformen en una fase ultradura que és més dura que el diamant.
Nota: la duresa Vickers d'un material compost de nanotubs de carboni (com ara l'aliatge d'alumini CNT/2024) és d'uns 185 HV. Aquest valor reflecteix la duresa global del compost, no la duresa dels propis nanotubs de carboni. La investigació sobre la duresa dels nanotubs de carboni individuals es duu a terme principalment en el camp de la transformació en fase d'ultra-pressions.
2. Enfrontament de l'estat normal: l'empat de duresa de Mohs, el diamant de duresa Vickers guanya
Conclusió:En condicions "normals" (pressió normal, temperatura ambient) que ens trobem a la vida diària, el diamant és el rei absolut de la duresa. El rendiment de duresa dels nanotubs de carboni depèn principalment de la matriu composta.
2.1 Duresa de Mohs: coll i coll
Des de la perspectiva del "ratllat mutu", la duresa dels nanotubs de carboni és "comparable" a la del diamant.
Els nanotubs de carboni estan formats per àtoms de carboni connectats per enllaços covalents sp² que formen una estructura d'anells de sis-membri, mentre que el diamant consta d'un marc tridimensional d'enllaços covalents sp³. Tots dos són carboni-enllaços carboni - un dels enllaços químics més estables de la natura. Per tant, en rascar-se, cap dels dos té un avantatge clar sobre l'altre.
En termes senzills:El diamant pot ratllar el vidre i els nanotubs de carboni també poden ratllar el vidre - en aquesta dimensió, els dos lligats.
2.2 Duresa Vickers: domina el diamant
La duresa Vickers es mesura pressionant un penetrador de diamant a la superfície del material i mesurant la profunditat de sagnat. En aquesta prova, els nanotubs de carboni d'estat convencionals són molt inferiors al diamant:
| Material | Duresa Vickers |
|---|---|
| Diamant | Aproximadament 100 GPa de magnitud (10.000 HV) |
| Compost de nanotub de carboni/aliatge d'alumini | Màxim aproximadament 185,1 HV després d'una solució sòlida + tractament d'envelliment |
La diferència és d'aproximadament 50 vegades.
Però aquí hi ha un punt clau: 185 HV mesura el "nanotub de carboni + aliatge d'alumini" - tota la investigació que reflecteix realment la duresa dels propis nanotubs de carboni es realitza mitjançant un altre sistema d'"ultra-alta pressió" al laboratori.
3. El moment de "Transformació": apliqueu pressió als nanotubs de carboni, es tornen més durs que el diamant
Conclusió:Quan els nanotubs de carboni es comprimeixen en fred per sobre d'aproximadament 75 GPa (750.000 atmosferes), es transformen en una nova fase de carboni ultradur amb un mòdul a granel que supera el del diamant.
Aquesta és la veritable "carta de triomf" dels nanotubs de carboni.
3.1 Experiment de compressió en fred: 75 GPa desencadena la transició de fase
El 2004, un equip dirigit per Zhongwu Wang a la Universitat d'Arizona va publicar un estudi històric aPNAS. Van col·locar nanotubs de carboni de diverses-parets en una cèl·lula d'enclusa de diamant i els van pressionar a aproximadament 100 GPa (aproximadament 1 milió d'atmosferes). Van trobar que a uns 75 GPa, els nanotubs de carboni es van transformar en una fase de carboni hexagonal completament nova.
Dades clau:
| Paràmetre | Valor |
|---|---|
| Mòdul a granel | 447 GPa (amb K′=4 fix), superant aproximadament els 440-442 GPa del diamant |
| Densitat | 3,6±0,2 g/cm³, comparable al diamant |
| Recuperació | Aquesta fase es va mantenir a l'entorn ambiental després de l'alliberament de pressió |
El mòdul a granel és un indicador de la "resistència a la compressió" d'un material - com més gran sigui el mòdul a granel, més difícil serà comprimir-lo sota pressió. La fase d'alta-pressió dels nanotubs de carboni supera el diamant en aquest indicador.
3.2 Paquets de diamants nanotwinned: rècord-batent 241 GPa
El 2021, un equip dirigit pel professor Zhao Zhisheng i el professor Xu Bo de la Universitat de Yanshan va publicar una investigació aPNAS. Utilitzant pel·lícules de nanotubs de carboni de paret múltiple{-altament orientada com a precursors, van sintetitzar diamants amb paquets nanotwinned orientats preferentment mitjançant un tractament d'alta-pressió alta-temperatura (HPHT).
Els resultats més sorprenents:
| Paràmetre | Valor |
|---|---|
| Duresa Knoop | Fins a 241 GPa, més d'un 20% més que el rècord mundial anterior |
Què significa 241 GPa? La duresa Knoop del diamant en brut (diamant natural) sol estar entre 60 i 100 GPa. Això significa que el "diamant del paquet nanogermanat" transformat a partir de nanotubs de carboni és 2-4 vegades més dur que el diamant normal.
L'experiment també va trobar que aquest material presenta una anisotropia mecànica important: la duresa varia en funció de l'orientació dels feixos nanotwinned, amb la duresa més alta aconseguida quan el penetrador és perpendicular als feixos bessons.
4. El "sostre teòric": nanotubs de carboni covalent tridimensionals-
Conclusió:Els càlculs teòrics prediuen que la duresa Vickers de certs polímers de nanotubs de carboni covalents tridimensionals podria arribar a superar els 40 GPa, situant-se entre el nitrur de bor cúbic i el diamant.
A més de la síntesi experimental, els científics han utilitzat els primers-càlculs de principis per predir polímers de nanotubs de carboni ultradurs que encara no s'han sintetitzat.
| Nom de l'estructura | Duresa Vickers | Característiques de la banda |
|---|---|---|
| CNP-oC36 | 40,4 GPa | Semiconductor de banda prohibida indirecta (1,29 eV) |
| CNP-oC40 | 37,1 GPa | Semiconductor de banda prohibida indirecta (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 es considera generalment el llindar dels materials ultradurs).
Tot i que de moment encara es troba en l'etapa teòrica, aquestes prediccions suggereixen que el potencial dels nanotubs de carboni per transformar-se en estructures ultradures en tres-dimensionals supera amb escreix la comprensió actual.
5. Una taula per entendre: què és "més difícil"?
| Condició/estat de la prova | Diamant | Nanotub de carboni | Guanyador |
|---|---|---|---|
| Duresa de Mohs (esgarrapada) | 10 | Comparable al diamant | Corbata |
| Duresa Vickers d'estat normal | ~100 GPa | 185 HV (material compost) | Diamant |
| Mòdul a granel després de la compressió en fred | ~440 GPa | 447 GPa | Nanotub de carboni |
| Duresa Vickers d'alta-pressió | ~100 GPa | 241 GPa | Nanotub de carboni |
La resposta final:
En condicions normals:El diamant és "més dur". En les proves d'estat normal, la duresa Vickers del diamant supera amb escreix la dels materials compostos de nanotubs de carboni.
Sota pressió:Els nanotubs de carboni són "més durs". Quan els nanotubs de carboni es comprimeixen per sobre de 75 GPa, es transformen en un material ultradur que és més dur que el diamant - ja sigui en termes de mòdul a granel (447 vs 440 GPa) o duresa Vickers (241 vs ~ 100 GPa), superen completament el diamant.
Els nanotubs de carboni són com el "déu de la guerra" al món dels materials - que semblen habituals en condicions normals, però un cop s'obre el seu "tercer ull" (s'aplica una pressió extrema), la seva duresa supera a l'instant el diamant per convertir-se en el "rei dels materials ultradurs".
6. Nou material de Shandong Tanfeng: la "base de la matèria primera" de la indústria dels nanotubs de carboni
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. proporciona pols de nanotubs de carboni d'alta-puresa (superior o igual al 98%) de paret múltiple/de paret única{-, que serveix com a matèria primera ideal per a la-investigació d'avantguarda com ara les transicions de fase d'alta-pressió.
Tant si es tracta del rècord de la-investigació de 241 GPa de la Universitat de Yanshan com de la investigació de transició en fase de compressió en fred de 75 GPa de la Universitat d'Arizona, el punt de partida d'ambdues són les matèries primeres de nanotubs de carboni d'alta-qualitat.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co, Ltd és precisament el "poder de la font" en aquest camí des de la "matèria primera fins a l'ultradur".
| Dimensió d'avantatge | La força del nou material de Tanfeng |
|---|---|
| Matriu de producte | Gamma completa de nanotubs de carboni d'una-paret/doble-paret/multi-paret (SWCNT/DWCNT/MWCNT) |
| Puresa del producte | Major o igual al 98%, bona consistència del lot |
| Processos de preparació | Descàrrega d'arc, ablació làser, deposició química de vapor (CVD); domini de múltiples processos |
| Paràmetres clau | sèrie TF-210, etc.; mida de partícula 5-15 μm |
| Propietats mecàniques | Mòdul de Young teòric fins a 5 TPa; resistència 100 vegades superior a l'acer; pes 1/6 del de l'acer |
| Disseny de l'aplicació | Set direccions estratègiques que inclouen vehicles de nova energia, aeroespacial, trànsit ferroviari |
L'equip de la Universitat de Yanshan va poder sintetitzar el material-rècord mundial amb "duresa Knoop de 241 GPa" basant-se en precursors de nanotubs de carboni d'alta-qualitat. Amb 20 anys d'acumulació de la indústria en materials de carboni, Tanfeng New Material ofereix una garantia de matèries primeres estable i fiable per a aquesta investigació-avantguarda.
Conclusió: Què és més difícil? Respon - Diamant en condicions normals, nanotubs de carboni sota pressió
| Estat | Més difícil | Dades clau |
|---|---|---|
| Pressió i temperatura normals | Diamant | Duresa Vickers aproximadament 100 GPa vs. CNT compost 185 HV |
| High Pressure (>75 GPa) | Nanotubs de carboni | El mòdul a granel 447 GPa supera el diamant; 241 GPa és quatre vegades el del diamant |
El debat sobre la duresa entre els nanotubs de carboni i el diamant finalment dóna una resposta que és una funció - una funció de la "pressió". Apliqueu prou pressió als nanotubs de carboni i superaran el diamant per convertir-se en el "rei dels materials ultradurs".
Aquest és l'encant definitiu dels nanotubs de carboni: poden ser prou "tous" com per enrotllar-se en cables a nanoescala i prou "dures" per superar el diamant. Des del registre de 241 GPa de la Universitat de Yanshan fins a la producció estable de Tanfeng New Material de nanotubs de carboni de puresa superior o igual al 98%, aquest "debat sobre la duresa" passa de l'exploració acadèmica a la transformació industrial.