Els nanotubs de carboni i els diamants tenen una duresa comparable, però les seves definicions de "dur" són diferents. Pel que fa a la duresa al rascat (duresa de Mohs), el diamant és 10, el més alt entre els minerals naturals. Els nanotubs de carboni no tenen un valor de duresa Mohs estàndard, però la seva capacitat de ratllat és comparable a la del diamant. Pel que fa a la duresa Vickers (resistència a la sagnia), el diamant és de 7140-15300 HV, mentre que els nanotubs de carboni tenen aproximadament 1000-2000 HV. Tanmateix, la investigació ha sintetitzat nanotubs de carboni tridimensionals enllaçats covalentment amb una duresa Vickers de 82,8 GPa. Pel que fa a la duresa, els nanotubs de carboni són 100 vegades més resistents que l'acer i es poden estirar. Els diamants, encara que durs, són molt trencadissos i es poden trencar amb un martell.Conclusió:En duresa de rascada, diamant ≈ nanotub de carboni; en duresa a l'impacte, el nanotub de carboni supera completament el diamant.
1. Primer, entén la "duresa": significa coses diferents
Conclusió:A la vida quotidiana, la paraula "dur" té en realitat dos significats: - duresa a les ratllades (resistència al desgast) i resistència a l'impacte. Diamond només guanya el primer, però perd el segon.
Abans de comparar nanotubs de carboni i diamants, cal aclarir: què vol dir realment "duresa"?
Molta gent creu erròniament que la duresa alta significa "no es pot trencar amb un martell". Això és una idea errònia.
Professionalment, la duresa es divideix principalment en dos tipus:
| Tipus de duresa | Mètode de mesura | Interpretació comuna | Material representatiu |
|---|---|---|---|
| Duresa de rascades (duresa de Mohs) | Rasqueu els minerals uns contra els altres per veure quins deixa una empremta | "Resistència al desgast" | Diamant, grau 10 (més alt) |
| Duresa Vickers (duresa de sagnat) | Premeu un indentador de diamant a la superfície del material | "Resistència a la deformació sota pressió" | Diamant 7140-15300 HV |
| Resistent a l'impacte | Colp de martell, prova de caiguda | "Resistència a l'impacte" | El diamant és molt trencadís i es trenca fàcilment |
Diamant:Duresa Mohs 10, la més alta entre els minerals naturals. No obstant això, té "escissió octaèdrica" - quan s'aplica força en una direcció específica, fins i tot una petita quantitat pot fer que es divideixi. Colpejar un diamant amb un martell el trencarà en pols. Això no és perquè la seva duresa sigui insuficient, sinó perquè la seva fragilitat és elevada.
Nanotubs de carboni:Compost per àtoms de carboni connectats per enllaços covalents C=C, un dels enllaços químics més estables de la natura. La seva duresa Mohs no té un valor estàndard, però la seva capacitat de ratllat és "comparable" a la del diamant. El punt clau és que els nanotubs de carboni també "tenen una bona flexibilitat i es poden estirar".
Per utilitzar una analogia:El diamant és com un tros de vidre - la superfície és extremadament dura i resistent al desgast-, però es trenca quan es deixa caure al terra. Els nanotubs de carboni són com un filferro d'acer - també poden ratllar el vidre, però també es poden doblegar, estirar i són irrompibles.
2. Deixeu que les dades parlin: nanotubs de carboni vs. diamants - Què és més fort?
Conclusió:Pel que fa a la resistència a la tracció i la resistència específica (resistència ÷ densitat), els nanotubs de carboni són una "súper fibra" que el diamant no pot igualar. Pel que fa a la duresa Vickers, els nanotubs de carboni naturals no són tan durs com el diamant, però les varietats sintetitzades artificialment s'hi han acostat o fins i tot superat.
Vegem directament la comparació de dades:
| Mètrica de rendiment | Diamant | Nanotub de carboni (CNT) |
|---|---|---|
| Duresa de Mohs | 10 (el més alt entre els minerals naturals) | "Comparable" al diamant |
| Duresa Vickers (HV) | 7140-15300 Hv | Aproximadament 1000-2000 Hv (per a un sol tub) |
| Resistència a la tracció | ~2-3 GPa (menor amb defectes) | 50-200 GPa |
| Mòdul elàstic | ~1,0-1,2 TPa | 1-5 TPa |
| Densitat | 3,5 g/cm³ | 1,3-2,0 g/cm³ |
| Força específica (Força/Densitat) | ~0,6-0,9 GPa·cm³/g | 25-100 GPa·cm³/g (100 vegades la de l'acer) |
| Flexibilitat | Extremadament fràgil, té plans d'escissió | Es pot estirar i doblegar |
| Resistència a l'impacte | Es pot trencar amb un martell | Ultra-duresa, es pot utilitzar en armilles antibales |
Val la pena examinar de prop diversos d'aquests punts de dades:
1. Resistència a la tracció: els nanotubs de carboni guanyen completament
La resistència a la tracció dels nanotubs de carboni és de 50-200 GPa. Tot i que el diamant és dur, no és bo per "resistir la tensió". Per fer servir una analogia: el diamant és com un maó de vidre: no es pot aixafar, però es trenca fàcilment quan s'estira.
2. Mòdul elàstic: nanotubs de carboni lleugerament millor
El mòdul elàstic mesura "la capacitat de resistir la deformació". El diamant és d'aproximadament 1,0-1,2 TPa. El valor teòric dels nanotubs de carboni pot arribar als 5 TPa, amb valors mesurats normalment entre 1 i 1,8 TPa. En termes de "rigidesa", són aproximadament equivalents, amb nanotubs de carboni fins i tot amb una lleugera vora.
3. Força específica: els nanotubs de carboni ho dominen tot
Força específica=força ÷ densitat, que mesura "quanta força de tracció pot suportar una unitat de pes". La força específica dels nanotubs de carboni és 100 vegades superior a la de l'acer, arribant a 25-100 GPa·cm³/g. Això vol dir: si feu una corda amb nanotubs de carboni, seria 100 vegades més resistent que una corda d'acer del mateix pes. També és per això que la novel·la de ciència ficció "The Three-Body Problem" va utilitzar "nano fulles voladores" per tallar vaixells gegants, i per què els científics preveuen utilitzar nanotubs de carboni per construir un "ascensor espacial".
4. Nanotubs de carboni ultra-durs: un nou avenç científic
Un estudi del 2022 va dissenyar un nanotub de carboni tridimensional enllaçat covalentment mitjançant càlculs teòrics. La seva duresa Vickers va arribar als 82,8 GPa, comparable al nitrur de bor cúbic. Un altre estudi el mateix any va predir dos polímers metaestables de nanotubs de carboni ultra-durs amb dureses Vickers de 40,4 GPa i 37,1 GPa, respectivament.
Aquestes dades mostren que els nanotubs de carboni no només poden derrotar el diamant en termes de duresa, sinó que els científics també els permeten superar el diamant en l'indicador de "duresa".
3. És real la "Nano Flying Blade"? Què tan forts són els nanotubs de carboni?
Conclusió:La "nano fulla voladora" de "The Three-Body Problem" que travessa vaixells gegants es basa en nanotubs de carboni. En realitat, la força teòrica dels nanotubs de carboni és efectivament suficient per "tallar el metall com el fang".
A la novel·la de ciència-ficció "El problema dels tres-cossos", una "nano fulla voladora" només una-desena part del gruix d'un cabell humà pot tallar un vaixell gegant com el tofu. Aquest concepte no es va evocar a l'aire - el seu prototip és el nanotub de carboni.
Què poden aconseguir els nanotubs de carboni en realitat?
100 vegades més fort que l'acer:Un feix de nanotubs de carboni més prim que un cabell humà podria, teòricament, aixecar un cotxe.
Més fort que qualsevol fibra:Els nanotubs de carboni són molt superiors a qualsevol fibra coneguda tant en resistència com en duresa.
L'ascensor espacial no és un somni:Els científics creuen que els nanotubs de carboni són el millor material candidat per fabricar el cable d'un "ascensor espacial".
Per descomptat, el coll d'ampolla tècnic actual rau en com replicar el rendiment excepcional d'un nanotub de carboni individual en un material macroscòpic. Aquest és el difícil problema que els científics de tot el món estan treballant per superar.
4. Com Tanfeng New Material produeix aquest "súper material"
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. està transformant les excel·lents propietats mecàniques dels nanotubs de carboni en productes de producció massiva-, traient el "súper material" del laboratori.
La teoria és una cosa, però aplicar realment els "superpoders" dels nanotubs de carboni a productes reals requereix empreses que dominin la-tecnologia de producció a gran escala.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co, Ltd és exactament aquesta empresa.
Què fa?L'empresa se centra en la R+D i la producció de pols de nanotubs de carboni, pasta conductora i materials d'ànode de carboni de silici-. Els seus productes cobreixen la gamma completa de nanotubs de carboni d'una-paret i nanotubs de carboni de paret múltiple{{3}.
Quina és la seva capacitat tècnica?
Té més de deu patents actives relacionades amb nanotubs de carboni.
Domina diversos processos de preparació, com ara descàrrega d'arc, ablació làser i deposició de vapor químic (CVD).
Puresa del producte Major o igual al 98%; La mida de les partícules en pols pot arribar als 5-15 μm.
La producció mensual arriba a les 200 tones, ja en producció massiva.
On aplica les propietats mecàniques dels nanotubs de carboni?El mòdul de Young teòric dels productes de nanotubs de carboni de Tanfeng pot arribar als 5 TPa, amb una resistència aproximadament 100 vegades la de l'acer i una densitat només 1/6 de la de l'acer. Aquestes excel·lents propietats mecàniques s'estan utilitzant en els camps següents:
| Camp d'aplicació | Ús específic | Paper dels nanotubs de carboni |
|---|---|---|
| Aeroespacial | Components estructurals del fuselatge i de les ales | Ultra-alta resistència + ultra-pes lleuger |
| Trànsit ferroviari | Materials lleugers per a carrosseries | Redueix el pes mantenint la força |
| Energia eòlica | Pales gegants | Resistència a la fatiga, llarga vida útil |
| Materials polimèrics avançats | Composites{0}}d'alt rendiment | Millora les propietats mecàniques |
| Elastòmers | Productes de cautxú d'alta-resistència-desgast | Millora la força i la resistència al desgast |
L'empresa segueix de prop l'estratègia nacional de desenvolupament de noves energies i nous materials, amb el seu àmbit de negoci irradiant a tot el país, aspirant a convertir-se en un "proveïdor de materials avançats i proveïdor de serveis tècnics".
Resum d'una-oració:Mentre els científics demostren als laboratoris que els nanotubs de carboni són una "súper fibra", empreses com Tanfeng New Material els estan convertint en productes que podeu comprar.
Conclusió: Què és més difícil? La resposta depèn de com definiu "Dificultat"
| Si preguntes sobre... | La resposta és... |
|---|---|
| Què és més resistent al desgast-(duresa a les ratllades) | Diamant ≈ nanotub de carboni (comparable); el diamant és el més alt entre els minerals naturals |
| Que és més resistent a la compressió (duresa Vickers) | El diamant és més alt, però els nanotubs de carboni ultra-durs s'hi han acostat o fins i tot superat |
| Que és més resistent a la tensió (resistència a la tracció) | El nanotub de carboni guanya completament, desenes de vegades més fort que el diamant |
| Quin és més resistent a l'impacte (duresa) | El nanotub de carboni guanya completament; el diamant es trenca amb un martell |
| Què és més fort en general (rendiment integral) | Nanotub de carboni - dur, fort, resistent i lleuger |
La conclusió final és:
En el sentit tradicional de "resistència al desgast", els nanotubs de carboni i de diamant tenen cadascun els seus avantatges. Però pel que fa a les "propietats mecàniques globals", - especialment la resistència a la tracció, la tenacitat i la resistència específica - els nanotubs de carboni són el rei indiscutible.
El diamant és el "mineral natural més dur de la Terra", però els nanotubs de carboni són la "fibra més forta feta pels humans".
Com va dir un científic de materials: "El diamant és el rei del passat; els nanotubs de carboni són la pedra angular del futur".
I com que Shandong Tanfeng produeix en massa-aquest material futur, podem dir: ha arribat l'era dels nanotubs de carboni.