آیا نانوتوپ های کربنی واقعا 100 برابر قوی تر از فولاد هستند؟

آیا واقعاً نانولوله های کربنی 100 برابر قوی تر از فولاد هستند؟ پاسخ مثبت است. استحکام کششی نظری نانولوله‌های کربنی می‌تواند به 50{9}}200 گیگا پاسکال برسد، که 100 برابر فولاد معمولی با همان حجم است، با چگالی فقط 1/6 فولاد. این ترکیب «سبک و استحکام بالا» از ساختار پیوند کووالانسی پایدار بین اتم‌های کربن سرچشمه می‌گیرد. با این حال، افزایش عملکرد استثنایی یک لوله به مواد ماکروسکوپی (مانند الیاف یا کابل) همچنان یک چالش جهانی است: نانولوله‌های کربنی از نظر طول کوتاه، مستعد لغزش هستند و استحکام اندازه‌گیری شده بسیار کمتر از مقادیر تئوری است. Shandong Tanfeng New Material به عنوان یک سازنده، بر فناوری آماده سازی CVD برای ترویج کاربرد نانولوله های کربنی در زمینه های با کارایی بالا مانند هوافضا تمرکز دارد.

1. ادعای "100 بار قوی تر از فولاد" از کجا آمده است؟

نتیجه گیری:این ادعا که نانولوله‌های کربنی «100 برابر قوی‌تر از فولاد هستند» یک مبنای نظری دارد - استحکام کششی یک نانولوله کربنی کامل می‌تواند به 50-200 گیگا پاسکال برسد، در حالی که تقریباً 0.4-1.5 گیگا پاسکال برای فولاد معمولی است. تفاوت دو مرتبه بزرگی است.

"یک نانولوله کربنی نازک‌تر از موی انسان می‌تواند ماشین را بلند کند" - این عبارت شبیه داستان علمی تخیلی به نظر می‌رسد، اما در واقع بر اساس شواهد علمی محکم است.

راز استحکام نانولوله های کربنی در "اسکلت" آنها نهفته است. نانولوله‌های کربنی از اتم‌های کربنی تشکیل شده‌اند که با پیوندهای کووالانسی C{1}C به هم متصل شده‌اند و یک ساختار لانه زنبوری شش ضلعی کامل را تشکیل می‌دهند. برای شکستن یک نانولوله کربنی، این پیوندهای کربنی-کربنی باید شکسته شوند - که به انرژی بسیار بالایی نیاز دارد. استحکام نظری نانولوله‌های کربنی می‌تواند به 100 برابر فولاد برسد، در حالی که چگالی آنها بسیار کم است و فقط 1/6 فولاد است.

بیایید به مقایسه دقیق داده ها نگاه کنیم:

به دلیل این ارقام، نانولوله های کربنی به عنوان یک "فوق العاده فیبر" و "معجزه مواد قرن بیست و یکم" معرفی شده اند.

2. چرا برخی افراد می گویند "نانولوله های کربنی آنقدر قوی نیستند"؟

نتیجه گیری:این شکاف در مرحله "مقیاس‌سازی" نهفته است - نانولوله‌های کربنی منفرد بسیار قوی هستند، اما وقتی در مواد ماکروسکوپی (مانند الیاف یا فیلم‌ها) جمع می‌شوند، استحکام به‌طور قابل‌توجهی کاهش می‌یابد. این گلوگاه فنی اصلی فعلی است.

از آنجایی که نانولوله‌های کربنی از نظر تئوری بسیار قوی هستند، چرا در زندگی روزمره ما «طناب‌های نانولوله کربنی» جایگزین کابل‌های فولادی نشده‌ایم؟ چرا «تیغه پرنده نانو» از «سه-مشکل بدن» هنوز به یک محصول واقعی تبدیل نشده است؟

پاسخ این است: یک شکاف مهندسی عظیم بین "یک لوله" و "یک بسته نرم افزاری" وجود دارد.

در واقعیت، ساخت یک تیغه پرنده نانو بسیار دشوار است. با فرآیندهای فنی کنونی، ساختن یک ساختار آرایش اتمی بی‌نقص با برد بلند بسیار دشوار است. یک تیغه پرنده نانو فقط یک نانومتر قطر دارد اما طول آن صدها متر است. این معادل یک طناب به ضخامت 1 میلی متر است که باید 1 میلیون متر طول داشته باشد، با این شرط که طناب هیچ نقصی نداشته باشد.

حتی اگر نانولوله‌های کربنی{0}}دراز- سانتی‌متری به‌دست آیند، زمانی که آنها در کنار هم قرار می‌گیرند، همچنان استحکام کششی بسیار کمتر از یک نانولوله کربنی منفرد است. دلایل چند وجهی است:

تیمی از دانشگاه Tsinghua کشف کردند که استراتژی "آرامش همزمان" - ابتدا برش برای از بین بردن استرس باقیمانده، سپس کشش - می‌تواند استحکام بسته را به بالای ۸۰ GPa افزایش دهد. این در حال حاضر یک پیشرفت بزرگ است، اما هنوز فاصله‌ای با محدودیت نظری نانولوله‌های کربنی (تقریباً 200 گیگا پاسکال) و فاصله‌ای حتی بیشتر از کاربردهای نهایی مانند "کابل آسانسور فضایی" وجود دارد.

3. چه چیزی نانوتوپ های کربنی را "قوی" می کند؟ آنها غیر از استحکام چه خواص دیگری دارند؟

نتیجه گیری:نانولوله‌های کربنی نه تنها "قوی" هستند، بلکه "سخت"، "سبک" و "سخت" هستند - آنها استحکام بالا، چقرمگی بالا، وزن سبک و سختی بالا را ترکیب می‌کنند. خواص مکانیکی جامع آنها در بین تمام مواد شناخته شده بی نظیر است.

بسیاری از مردم فکر می‌کنند که نانولوله‌های کربنی فقط «استحکام بالایی دارند»، اما «توانایی همه‌جانبه» آنها در واقع شگفت‌انگیزترین جنبه است.

1. چقرمگی بالا: قوی اما شکننده نیست
برخلاف الماس، نانولوله‌های کربنی سخت اما انعطاف‌پذیر هستند. هنگام خم کردن یک نانولوله کربنی یا اعمال فشار محوری به آن، حتی اگر نیروی خارجی از حد استحکام اویلر بیشتر شود، نانولوله کربنی شکسته نخواهد شد. در عوض، تحت خمش زاویه‌ای بزرگ قرار می‌گیرد. هنگامی که نیروی خارجی آزاد می شود، نانولوله کربنی به شکل اولیه خود باز می گردد. حداکثر طول نظری آن می تواند به 20٪ برسد.

2. سختی بالا: قابل مقایسه با الماس
سختی نانولوله های کربنی با سختی الماس قابل مقایسه است. این بدان معنی است که آنها می توانند مقاومت سایشی بسیار بالایی در آزمایش های خراش نشان دهند و در عین حال در برابر تغییر شکل کششی - ترکیبی از "سخت و سخت" که بسیار نادر است نیز مقاومت کنند.

3. چگالی{1} فوق العاده سبک: 1/6 از فولاد
چگالی نانولوله‌های کربنی تنها 1.3-2.0 گرم بر سانتی‌متر مربع است که حتی از آلومینیوم سبک‌تر است. این به آنها «استحکام ویژه» بسیار بالا - ظرفیت باربری در واحد وزن می دهد.

4. از علمی تخیلی تا واقعیت: چه کسی این "انقلاب قدرت" را هدایت می کند؟

نتیجه گیری:دانشمندان و شرکت‌های چینی با هم کار می‌کنند - دانشگاه‌هایی مانند Tsinghua در آماده‌سازی نانولوله‌های کربنی «فوق-طول» و «فوق{-قوی» پیشرفت می‌کنند، در حالی که شرکت‌هایی مانند Shandong Tanfeng New Material در حال ترویج کاربرد تجاری خود هستند.

در مسیر آزمایشگاهی تا صنعتی شدن نانولوله‌های کربنی، تیم‌های چینی در خط مقدم جهان قرار دارند.

مرز تحقیقات علمی: پیشرفت در دانشگاه Tsinghua

در سال 2018، آنها مقاله ای را منتشر کردندنانوتکنولوژی طبیعتبسته‌های نانولوله کربنی با استحکام کششی بیش از 80 گیگا پاسکال گزارش می‌دهند.

در سال 2020، آنها مقاله ای را درعلمبه طور تجربی نشان می دهد که نانولوله های کربنی می توانند صدها میلیون بار به طور مداوم بدون شکستگی کشیده شوند.

این دستاوردها یک پایه مواد محکم برای کاربرد مهندسی نانولوله های کربنی ایجاد کرده است.

کاربرد صنعتی: چیدمان مواد جدید شاندونگ تانفنگ
تبدیل "فوق العاده قدرت" نانولوله های کربنی به محصولات واقعی، شرکت ها را ملزم می کند که بر-فناوری تولید در مقیاس بزرگ- نانولوله های کربنی با کیفیت بالا تسلط داشته باشند. Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. یکی از پزشکان در این زمینه است.

محصولات اصلی Tanfeng New Material شامل نانولوله‌های کربنی تک‌جداره، نانولوله‌های کربنی چند جداره{{1}، مواد آند کربنی سیلیکونی-و خمیرهای رسانا است. شایستگی های اصلی آن عبارتند از:

در زمینه هوافضا، از نانولوله های کربنی می توان برای ساخت اجزای ساختاری بدنه سبک وزن استفاده کرد.

در حمل و نقل ریلی، می توان از آنها برای کاهش وزن بدنه وسیله نقلیه با حفظ استحکام ایمنی استفاده کرد.

در انرژی باد، می‌توان از آن‌ها برای افزایش مقاومت در برابر خستگی تیغه‌های غول‌پیکر استفاده کرد - اینها همه کاربردهای خاصیت «100 برابر قوی‌تر از فولاد» نانولوله‌های کربنی هستند.

خلاصه: «قدرت» نانو نوارهای کربنی هم یک واقعیت و هم جهت است.

نانولوله های کربنی در واقع "100 برابر قوی تر از فولاد هستند" - این یک اتفاق نظر در زمینه علم مواد است که توسط داده های نظری و تجربی جامد پشتیبانی می شود. حقایق کلیدی حمایت کننده از این نتیجه گیری عبارتند از:

با این حال، این "قدرت" در حال حاضر عمدتاً در سطح نانولوله های جداگانه منعکس می شود. مقیاس گذاری ماکروسکوپی همچنان یک چالش فنی جهانی است. هنگام تهیه مواد ماکروسکوپی از نانولوله های کربنی با خواص مکانیکی عالی، استحکام کششی اغلب بسیار کمتر از یک نانولوله کربنی منفرد است. حل مشکلاتی مانند "{3}}لغزش بین لوله"، "نقایص ساختاری" و "تنش پسماند" دقیقاً جهتی است که دانشمندان و شرکت‌ها به طور مشترک به سمت آن کار می‌کنند.

از «تیغه پرنده نانو» در «سه-مشکل بدن» گرفته تا «آسانسور فضایی» که دانشمندان تصور می‌کنند، تا سبک‌سازی هوافضا که امروز اتفاق می‌افتد، - نانولوله‌های کربنی گام به گام از نقطه داده‌های شگفت‌انگیز «100 برابر قوی‌تر از فولاد» به سوی «0 بار قوی‌تر از فولاد» به‌سوی «0 بار قوی‌تر از فولاد» حرکت می‌کنند.