نانولوله های کربنی تک دیواره-یا چند جداره{{1}- کدام یک را انتخاب کنیم؟

در تحقیق و توسعه خمیرهای رسانای بالا، مواد کامپوزیتی و الکترونیک نیمه هادی، مهندسان تقریباً همیشه با یک معضل انتخاب کلاسیک روبرو هستند: نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره یا چند جداره-- کدام یک را انتخاب کنیم؟ به عنوان یک افزودنی در مقیاس نانو با پتانسیل زیاد، مورفولوژی نانولوله‌های کربنی مستقیماً هدایت الکتریکی، مقاومت مکانیکی و حتی هزینه تولید انبوه محصول نهایی را تعیین می‌کند. انتخاب نوع نامناسب نه تنها عملکرد را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد، بلکه می تواند باعث از بین رفتن عملکرد کل خط تولید شود. انتخاب بین-تک دیواری و چند دیواری- صرفاً یک تفاوت قیمت نیست، بلکه درگیری با اصول فیزیکی اساسی است. این مقاله اصطلاحات مبهم آکادمیک را حذف می‌کند و از داده‌های کمی استفاده می‌کند تا مستقیماً به نقطه درد اصلی «نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره‌ای-یا چند جداره‌ای- - کدام یک را انتخاب کنید» استفاده می‌کند و به شما در جلوگیری از انحراف کمک می‌کند.

1. ساختار و ویژگی ها: تفاوت اساسی بین-دیواره و چند جداره- چیست؟

تفاوت اصلی بین نانولوله‌های کربنی یک-و چند جداره-در اندازه شعاعی و ساختار نوار الکترونیکی ناشی از تعداد دیواره‌های لوله است که مستقیماً تفاوت گسترده در خواص ماکروسکوپی آنها را تعیین می‌کند.

نانولوله‌های کربنی تک دیواره (SWCNTs) را می‌توان به عنوان یک لایه گرافن که در یک استوانه نورد شده است، با قطری معمولاً بین 0.8{3}}2 نانومتر در نظر گرفت. از سوی دیگر، نانولوله‌های کربنی چند دیواره (MWCNTs)، لایه‌های تودرتوی هم محور از گرافن هستند که قطر آنها از 5 تا 100 نانومتر است. این تفاوت ساختاری به SWCNT ها توزیع ابر الکترونی بسیار متقارن می دهد و برخی از SWCNT های کایرال یک اثر رسانش کوانتومی واقعی (انتقال بالستیک) را نشان می دهند، در حالی که MWCNT ها به دلیل نقص بین لایه ای و پراکندگی، رفتار فلزی بیشتری دارند. از نظر مکانیکی، ساختار تک لایه به SWCNT ها انعطاف پذیری بسیار بالا و استحکام کششی نظری می دهد.

2. کاربردهای رسانا: کدام یک سقف عملکرد نهایی است؟

در زمینه‌های پیشرفته-که آستانه نفوذ بسیار پایین و عملکرد رسانایی نهایی را دنبال می‌کنند، نانولوله‌های کربنی تک دیواره{{1} سقف مطلق هستند، اما نانولوله‌های کربنی چند{2}}از نظر هزینه{3} کارایی برای پلاستیک‌های رسانای معمولی بی‌رقیب هستند.

هنگام حل معضل انتخاب نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره یا چند جداره-یا چند جداره-، نیاز رسانا در نظر اولیه است. با توجه به نسبت ابعاد بسیار بزرگ و نقص های اندک SWCNT ها، فقط مقدار بسیار کمی باید به ماتریس پلیمری اضافه شود تا یک شبکه رسانای سه بعدی متراکم تشکیل شود. در کاربردهای افزودنی رسانای باتری لیتیومی، مقدار افزودن SWCNT ها تنها 1/5 تا 1/10 MWCNT ها برای رسیدن به رسانایی یکسان است، در حالی که اختلال در چگالی متراکم الکترود را تا حد زیادی کاهش می دهد. با این حال، به دلیل هزینه بسیار پایین، MWCNT ها جریان اصلی مورد نیاز رسانایی ولتاژ متوسط ​​تا بالا (مانند پوشش های ضد{10}}استاتیک، پلاستیک های مهندسی رسانا معمولی) را اشغال می کنند.

مرجع داده ها: داده های مقایسه اندازه گیری شده از آزمایشگاه مواد جدید شاندونگ تانفنگ در همان سیستم رزین اپوکسی.

3. تقویت مکانیکی: اولین انتخاب برای تقویت کامپوزیت کدام است؟

از نظر تئوری، نانولوله‌های کربنی تک دیواره- بهترین اثر تقویت مکانیکی را دارند، اما محدود به محدودیت‌های پراکندگی، نانولوله‌های کربنی چند جداره برای سخت‌سازی و تقویت واقعی در کامپوزیت‌های مهندسی فعلی امکان‌پذیرتر هستند.

هنگام انتخاب بین نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره-و چند جداره-برای تقویت مکانیکی، اغلب شکاف بزرگی بین آزمایشگاه نظری و کارخانه وجود دارد. استحکام تئوری SWCNT ها 100 برابر فولاد است و انعطاف پذیری عالی آنها باعث می شود که تحت تنش مستعد شکستگی شکننده نباشند. با این حال، در عملیات واقعی، قطر لوله 0.8 نانومتر، سطح خاصی به اندازه 1300 متر مربع بر گرم را به آنها می دهد، که دستیابی به پراکندگی یکنواخت یک لوله- در رزین را بسیار دشوار می کند. پس از انباشته شدن، آنها نمی توانند تنش را منتقل کنند و در عوض به نقاط تمرکز تنش کشنده تبدیل می شوند و باعث شکستگی زودرس مواد می شوند. اگرچه MWCNT ها مدول کمی کمتر دارند، اما صلبیت بهتری دارند و دشواری پراکندگی به طور تصاعدی کاهش می یابد. در حال حاضر، آنها اثرات تقویتی پایدارتری را در پیش‌آب‌سازی فیبر کربن و اصلاح نایلون نشان می‌دهند.

4. هزینه و فرآیند: ملاحظات واقع بینانه در تولید انبوه اجتناب ناپذیر است

از منظر تولید انبوه صنعتی، نانولوله‌های کربنی چند جداره، به دلیل فرآیند سنتز بالغ و پراکندگی عالی، بیش از 90 درصد بازار را به خود اختصاص داده‌اند، در حالی که نانولوله‌های کربنی تک‌جداره هنوز به دلیل هزینه بالا و مشکلات تراکم‌شدگی مشکل دارند.

هنگام قضاوت در مورد انتخاب نانولوله های کربنی یک-دیواره یا چند جداره-، ترازنامه تجاری را نمی توان از معادله جدا کرد. در حال حاضر، فناوری تولید انبوه برای MWCNT ها بسیار بالغ است. فرآیند بستر سیال به کنترل دقیق قطر و طول لوله دست می‌یابد، و قیمت سطح تن{4}}به محدوده ده‌ها هزار تا بیش از صد هزار یوان کاهش یافته است. در مقابل، کنترل رشد SWCNT ها بسیار دشوار است، به راحتی مقادیر زیادی ناخالصی کربن آمورف تولید می کند و هزینه تصفیه بسیار بالا است. قیمت بازار اغلب ده ها یا حتی صدها برابر MWCNT ها است. علاوه بر این، فراصوت با فرکانس بالا SWCNT ها به راحتی دیواره های لوله را قطع می کند و به نسبت ابعاد آسیب می رساند و پنجره فرآیند بسیار باریک است. از طرف دیگر، MWCNT ها می توانند به راحتی در برابر سنگ زنی{10}}برشی بالا مقاومت کنند.

5. شکستن بن بست در منبع: شاندونگ تانفنگ چگونه تجربه انتخاب CNT را تغییر می دهد؟

انتخاب یک سازنده منبع با تخصص فنی عمیق برای توسعه سفارشی، مسیر بهینه برای عبور از نقطه درد انتخاب بین-تک دیواره و چند جداره-و متعادل کردن عملکرد و هزینه است.

صرف نظر از اینکه نانولوله‌های کربنی تک‌دیواره‌ای-یا چند جداره‌ای{1}} را انتخاب می‌کنید، بزرگترین مشکل برای کاربران نهایی اغلب خرید نکردن پودر، بلکه «استفاده ضعیف از آن» است. Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. به عنوان یک تولید کننده داخلی با تجربه CNT، مدل سنتی فروش ساده پودر را شکسته است و راه حل حلقه بسته- را از منبع انتخاب تا برنامه نهایی به کاربران ارائه می دهد:

کتابخانه انتخاب دقیق:شاندونگ تانفنگ خط تولید کاملی از لوله‌های چند جداره-در مشخصات چندگانه از 10 نانومتر تا 100 نانومتر و لوله‌های تک جداره- با خلوص بالا دارد. برای الکترودهای باتری لیتیومی، لوله‌های تک جداره-تک دیواره/چند دیواری با نسبت تصویر بسیار بالا-برای دستیابی به مقدار اضافه بسیار کم 0.02% را توصیه می‌کند. برای چسب‌های ساختاری و پلاستیک‌های مهندسی، پودر لوله‌های چند جداره{11}}به آسانی{11}}پراکنده می‌شود.

فناوری اصلاح در محل-:شاندونگ تانفنگ با هدف قرار دادن نقطه درد ناشی از پراکندگی بسیار دشوار SWCNTها، از فرآیندهای اصلاحی اختصاصی در{0}}درجا برای معرفی گروه‌های لنگر بدون آسیب رساندن به ساختار مزدوج دیواره لوله استفاده می‌کند و راندمان تجمع SWCNT‌ها را در حلال‌های قطبی بیش از 6% بهبود می‌بخشد.

آماده-برای-استفاده از راه حل چسباندن:شاندونگ تانفنگ نه تنها 99.9% پودر خشک فوق‌العاده-با خلوص بالا، بلکه خمیرهای پیش پراکنده مبتنی بر-آب و روغن-(NMP/DMF) را نیز ارائه می‌کند. سیستم خمیری یک تست سانتریفیوژ با سرعت بالای 8000 دور در دقیقه-بدون رسوب گذاری را پشت سر گذاشته است، که به طور کامل مشتریان پایین دستی را از سرمایه گذاری های هنگفت در تجهیزات اولتراسونیک و هزینه های آزمایشی-و- حذف می کند.

نتیجه گیری

در مواجهه با -سوال چند گزینه ای "نانوتوب های کربنی تک دیواره یا چند دیواره{{2}- کدام یک را انتخاب کنید"، هیچ پاسخ استانداردی وجود ندارد اگر نازکی و سبکی نهایی را دنبال می‌کنید،-مقادیر اضافه بسیار کم و رسانایی کوانتومی{8}}در سطح، لوله‌های تک جداره-تنها انتخاب هستند. اگر برای ثبات پردازش، کنترل هزینه و تقویت معمولی ارزش قائل هستید، لوله‌های چند جداره{11}سنگ اصلی عملی‌تر هستند. درک تفاوت‌ها در خواص فیزیکی زیربنایی، تشخیص مرزهای فرآیند و تکیه بر تولیدکننده منبعی مانند شاندونگ تانفنگ که هم مواد و هم کاربردها را برای ارائه راه‌حل‌های خمیری سفارشی‌شده درک می‌کند، تنها راه‌هایی هستند که می‌توان هر گرم نانومواد را به ارزش تجاری واقعی خود پی برد.