نانولوله های کربنی چقدر سبک هستند؟

نانولوله‌های کربنی از سبک‌ترین مواد شناخته‌شده هستند، با چگالی تنها 1.3-2.1 g/cm³، که بسیار کمتر از فولاد (7.9 g/cm³) و آلومینیوم (2.7 g/cm³) است. این بدان معناست که برای همان حجم، وزن نانولوله های کربنی تنها 1/6 وزن فولاد و 1/2 وزن آلومینیوم است. حتی شگفت‌انگیزتر، اگرچه نانولوله‌های کربنی سبک‌تر از آلومینیوم هستند، اما استحکام کششی آنها 100 برابر فولاد است - ترکیبی از "سبک و در عین حال قوی" که در طبیعت بسیار نادر است. کامپوزیت های نانولوله کربنی تاکنون به کاهش وزن 40 درصدی و بهبود 20 تا 25 درصدی بهره وری سوخت در صنایع هوایی و خودروسازی دست یافته اند. مواد جدید شاندونگ تانفنگ در حال ترویج صنعتی شدن این ماده فوق‌العاده "سبک پر، قوی مانند فولاد" است.

1. نانولوله های کربنی چقدر سبک هستند؟ مجموعه ای از اعداد به شما می گوید

نتیجه گیری:چگالی نانولوله های کربنی تقریباً 1.3-2.1 گرم بر سانتی متر مکعب است که از آلومینیوم سبک تر و فقط 1/6 فولاد است.

ابتدا به داده های سخت نگاه می کنیم. با توجه به ادبیات آکادمیک آزمایشگاهی تحت وزارت انرژی ایالات متحده، چگالی معمول کامپوزیت های نانولوله کربنی (CNT) 1.3 گرم بر سانتی متر مکعب است. داده‌های محصول داخلی نیز این مرتبه بزرگی را تأیید می‌کند - چگالی واقعی برخی از محصولات تجاری تقریباً 2 گرم بر سانتی‌متر مکعب است، با چگالی شیر فقط 0.18 گرم بر سانتی‌متر مکعب. به طور خلاصه، چگالی ظاهری پودر نانولوله کربنی تقریباً در محدوده 1.3-2.1 گرم بر سانتی متر مکعب است.

این "سبکی" به چه معناست؟ بیایید آن را با فلزات-با عملکرد بالا که در زندگی روزمره با آنها آشنا هستیم مقایسه کنیم:

برای ارائه یک مثال بصری: یک توپی چرخ ماشین معمولی، اگر از مواد کامپوزیت نانولوله کربنی ساخته شود، ممکن است وزن خود را از بیش از 20 جین (حدود 10 کیلوگرم) به 5-6 جین (حدود 2.5-3 کیلوگرم) کاهش دهد. به راحتی می توانید آن را با یک دست بلند کنید.

2. چرا نانولوله های کربنی بسیار سبک هستند؟ راز در "شکل نانومقیاس" آنها نهفته است

نتیجه گیری:ویژگی فوق العاده نور نانولوله‌های کربنی از ریزساختار منحصربه‌فرد آنها سرچشمه می‌گیرد - اتم‌های کربن در یک الگوی لانه زنبوری شش ضلعی مرتب شده‌اند و دایره‌ای را برای ایجاد یک "لوله نانومقیاس" توخالی تشکیل می‌دهند که داخل آن تقریباً کاملاً خالی است.

یک نانولوله کربنی در اصل یک "لوله" است و یک لوله در مقیاس نانو.

ریزساختار آن به شرح زیر است: اتم‌های کربن از طریق پیوندهای کووالانسی به یکدیگر متصل می‌شوند و یک صفحه گرافن حلقه‌ای شش عضوی پایدار را تشکیل می‌دهند و سپس این ورقه گرافن به شکل استوانه‌ای "غلتده" می‌شود. این استوانه توخالی است - داخل آن هیچ اتمی وجود ندارد، فقط هوا یا خلاء است. نورد کردن یک لایه یک نانولوله کربنی تک دیواره- (SWCNT) ایجاد می‌کند. نورد چند لایه یک نانولوله کربنی چند دیواره- (MWCNT) با فاصله بین لایه ای حدود 0.34 نانومتر ایجاد می کند.

کلید اندازه گیری وزن یک ماده: چگالی=جرم / حجم

فلزات مملو از اتم هستند، به طور متراکم بسته بندی شده اند، بنابراین سنگین هستند. پوسته یک نانولوله کربنی از اتم‌های کربن تشکیل شده است (اتم‌های کربن بسیار سبک‌تر از اتم‌های آهن یا آلومینیوم هستند)، فضای داخلی خالی است و پوسته بسیار نازک است - بنابراین، ماده بسیار کمی در واحد حجم موجود است، بنابراین به طور طبیعی سبک است.

استفاده از تشبیه آشپزخانه:کاردک فلزی جامد و سنگین است. نی توخالی نوشیدنی سبک است زیرا فقط یک دیواره نازک روی سطح دارد. یک نانولوله کربنی نسخه مولکولی «نی نوشیدنی توخالی» است.

3. چیز واقعا شگفت انگیز "سبکی" نیست، بلکه ترکیب "سبک و در عین حال قوی" است.

نتیجه گیری:استحکام ویژه نانولوله های کربنی به 500 MPa·cm³/g می رسد که بسیار بیشتر از فلزات سنتی مانند فولاد، آلومینیوم و تیتانیوم است که آن را به یکی از بالاترین ها در میان مواد مهندسی شناخته شده تبدیل می کند.

اگر فقط "سبک" بود، خاص نبود - فوم پلاستیکی نیز بسیار سبک است، اما به راحتی خرد می شود. چیزی که نانولوله‌های کربنی را واقعاً شگفت‌انگیز می‌کند این است که در عین سبکی مانند هوا، بسیار قوی هستند.

همانطور که در مقاله قبلی به تفصیل تحلیل کردیم: استحکام کششی نانولوله های کربنی می تواند به 50{3}}200 گیگا پاسکال برسد که 100 برابر فولاد است. وقتی این داده ها در بعد "سبکی" ضرب می شوند، متریکی به دست می آید که مهندسان را دیوانه می کند - قدرت خاص (قدرت ÷ چگالی).

به این مجموعه داده های مقایسه ای نگاهی بیندازید:

هر چه استحکام ویژه بیشتر باشد، ظرفیت تحمل بار برای یک وزن معین بیشتر است. استحکام ویژه نانولوله‌های کربنی (500) تقریباً 10 برابر فولاد (51) است - طناب ساخته شده از نانولوله‌های کربنی با همان وزن می‌تواند تقریباً 10 برابر بار یک طناب فولادی را تحمل کند.

به همین دلیل است که دانشمندان تصور می‌کنند از نانولوله‌های کربنی برای ساخت یک آسانسور فضایی - استفاده کنند، زیرا تنها ماده‌ای که "سبک مانند پر، قوی مانند فولاد" است احتمالاً می‌تواند کابلی ایجاد کند که از زمین به فضا کشیده می‌شود.

4. انقلاب صنعتی ناشی از "سبکی": 40٪ کاهش وزن، 25٪ صرفه جویی در سوخت

نتیجه گیری:کامپوزیت‌های نانولوله‌های کربنی تاکنون به اثرات کاهش وزن تا 40 درصد در صنایع هوافضا و خودرو دست یافته‌اند که مستقیماً به بهبود 20 تا 25 درصدی در بهره‌وری سوخت منجر می‌شود.

"سبکی" فقط یک بازی اعداد نیست. در حال تغییر چشم انداز صنعتی است.

بر اساس مقاله مروری در مجله بین المللی آکادمیکعلم و مهندسی مواد: رکامپوزیت‌های نانولوله کربنی پتانسیل زیادی در صنایع هوانوردی و خودرو نشان داده‌اند: وزن اجزای ساختاری را می‌توان تا 40 درصد کاهش داد و در عین حال خواص مکانیکی را حفظ کرد یا حتی بهبود بخشید.

بیایید به نمونه‌های کاربردی{0}}در دنیای واقعی نگاه کنیم:

مورد بویینگ 787 به ویژه قابل ذکر است. این "Dreamliner" از مواد کامپوزیتی پیشرفته (از جمله مواد تقویت شده با نانولوله کربنی) استفاده گسترده ای می کند، نه تنها به کاهش وزن قابل توجهی دست می یابد بلکه این هواپیمای بزرگ را قادر می سازد تا بیش از 20٪ در مصرف سوخت در مقایسه با مدل های مشابه صرفه جویی کند. مؤسسه علم و فناوری کره (KIST) حتی یک گام فراتر رفت و مستقیماً موتوری بدون سیم‌پیچ فلزی ساخت - که سیم‌های مسی را با سیم نانولوله‌های کربنی جایگزین کرد و در نتیجه وزن موتور فقط یک-پنجم وزن یک موتور مسی بود.

برای هواپیما:صرفه جویی در سوخت=دورتر پرواز می کند + قیمت بلیط پایین تر + کاهش انتشار کربن.

برای وسیله نقلیه الکتریکی:کاهش وزن=برد بیشتر + شتاب سریعتر + باتری کوچکتر.

سبکی طلاست. سبکی رقابت پذیری است.

5. مواد جدید شاندونگ تانفنگ: تبدیل "سبک بودن" به محصولات قابل خرید

Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. در حال تولید و تولید انبوه-ویژگی‌های «فوق-سبک» نانولوله‌های کربنی است که به صنایع تولیدی پیشرفته مانند هوافضا و وسایل نقلیه با انرژی جدید خدمات ارائه می‌دهد.

تبدیل نانولوله‌های کربنی از یک «مواد معجزه‌آسا» در آزمایشگاه به یک ماده خام صنعتی که مهندسان می‌توانند سفارش دهند، مستلزم شرکت‌هایی است که واقعاً بر فناوری تولید-در مقیاس بزرگ تسلط داشته باشند.

Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. دقیقاً چنین شرکتی است.

چه کاری انجام می دهد؟

این شرکت بر تحقیق و توسعه و تولید نانولوله‌های کربنی چند جداره (MWCNT)، نانولوله‌های کربنی تک دیواره (SWCNT)، نانولوله‌های کربنی عامل‌دار، خمیرهای رسانا، و محصولات پیش{2} پراکنده تمرکز دارد. خلوص محصول بیشتر یا مساوی 97.5 درصد است، ناخالصی‌های باقیمانده کاتالیزورهای Fe، Co و Ni کمتر یا مساوی 0.5 ppm است، توزیع قطر لوله باریک است و CV سازگاری دسته‌ای-به-بچکی است.<5%.

شایستگی های اصلی آن:

Tanfeng New Material همچنین مستربچ نانولوله‌های کربنی چند دیواره حامل PA12 را برای تامین‌کنندگان قطعات خودرو اروپایی فراهم می‌کند که الزامات ضد استاتیکی دقیق برای خطوط سوخت را برآورده می‌کند. وقتی شرکت‌هایی مانند BMW و Boeing به مواد سبک وزن{4} با کارایی بالا نیاز دارند، نانولوله‌های کربنی از یک مفهوم آزمایشگاهی دور به محصولات ملموس در قفسه‌های شرکت‌های چینی مانند Tanfeng تبدیل می‌شوند.

خلاصه: "سبکی" نانولوله های کربنی به چه معناست؟

«سبکی» نانولوله‌های کربنی هرگز فقط یک عدد ساده کم{0} چگالی نبوده است. این در مورد حمل بیشترین بار با کمترین جرم، دستیابی به قوی ترین عملکرد با کمترین مواد و ایجاد بالاترین راندمان با سبک ترین اجزا است.

هنگامی که مواد جدید شاندونگ تانفنگ به طور مداوم این پودر سیاه را از پودر کارخانه‌اش - که سبک‌تر از هوا (در حالت ضربه‌خورده‌ای) و در عین حال قوی‌تر از فولاد است - "دم می‌زند"، نشان می‌دهد که "عصر سبک وزن" دنیای مواد واقعا فرا رسیده است.