کدام سخت تر است، نانولوله های کربنی یا الماس؟

نانولوله های کربنی (CNTs) یا الماس کدام «سخت تر» است؟ پاسخ بستگی به این دارد که آیا شما به آن فشار وارد کنید یا خیر. از نظر سختی Mohs، این دو قابل مقایسه هستند - سختی نانولوله های کربنی با الماس قابل مقایسه است. از نظر سختی ویکرز، نانولوله‌های کربنی حالت طبیعی (185.1 HV) به مراتب کمتر از الماس هستند (در حد 10000 HV). اما زمانی که نانولوله‌های کربنی فشرده می‌شوند، معجزه‌ای رخ می‌دهد: آنها می‌توانند یک فاز فوق‌سخت با مدول توده‌ای 447 گیگا پاسکال تشکیل دهند که مقدار سختی آن از 185.1 HV اولیه به 241 GPa (24100 HV) افزایش می‌یابد که 4 برابر الماس خشن (تقریباً 60 GPa) است. این بدان معنی است: در شرایط عادی، الماس سخت تر است. نانولوله‌های کربنی پس از{15}فشار بالا، می‌توانند از الماس پیشی بگیرند و به «پادشاه مواد فوق‌سخت» تبدیل شوند. ماده جدید شاندونگ تانفنگ نانولوله‌های کربنی-چند دیواره/تک جداره{19}}با خلوص بالا را ارائه می‌کند که به عنوان یک ماده خام ایده‌آل برای چنین تحقیقاتی با کارایی بالا عمل می‌کند.

1. ابتدا استاندارد را تعریف کنید: دو نوع "سختی"، دو پاسخ

نتیجه گیری:نانولوله های کربنی یا الماس کدام «سخت تر» است؟ بستگی به نوع سختی دارد که - سختی Mohs، سختی Vickers، و مدول حجیم را بعد از تبدیل فاز فوق-فشار بالا اندازه گیری می کنید، پاسخ های کاملاً متفاوتی می دهد.

اصطلاح سختی در علم مواد حداقل سه معنی دارد. روش های مختلف اندازه گیری و شرایط مختلف نتایج کاملاً متفاوتی به دست می دهند:

تفاوت اصلی این است:مقدار سختی اندازه‌گیری شده نانولوله‌های کربنی در حالت طبیعی نسبتاً پایین است (به‌ویژه در کامپوزیت‌ها)، اما هنگامی که تحت فشار شدید قرار می‌گیرند، به فاز فوق‌سختی تبدیل می‌شوند که سخت‌تر از الماس است.

نکته: سختی ویکرز یک ماده کامپوزیتی نانولوله کربنی (مانند آلیاژ آلومینیوم CNT/2024) حدود 185 HV است. این مقدار منعکس کننده سختی کلی کامپوزیت است، نه سختی خود نانولوله های کربنی. تحقیقات روی سختی نانولوله‌های کربنی منفرد عمدتاً در زمینه تبدیل فاز فوق‌العاده فشار بالا انجام می‌شود.

2. نمایش حالت عادی: کراوات سختی موهس، برنده الماس سختی ویکرز

نتیجه گیری:در شرایط «عادی» (فشار نرمال، دمای اتاق) که در زندگی روزمره با آن مواجه هستیم، الماس پادشاه مطلق سختی است. عملکرد سختی نانولوله های کربنی عمدتاً به ماتریس کامپوزیت بستگی دارد.

2.1 Mohs Hardness: Neck and Neck

از منظر "خراش متقابل"، سختی نانولوله های کربنی با سختی الماس "مقایسه" است.

نانولوله‌های کربنی از اتم‌های کربنی تشکیل شده‌اند که با پیوندهای کووالانسی sp² به هم متصل شده‌اند و ساختار حلقه‌ای شش عضوی را تشکیل می‌دهند، در حالی که الماس از یک چارچوب سه‌بعدی-از پیوندهای کووالانسی sp³ تشکیل شده است. هر دو کربن-پیوندهای کربنی - یکی از پایدارترین پیوندهای شیمیایی در طبیعت هستند. بنابراین، هنگام خراشیدن یکدیگر، هیچ کدام برتری آشکاری نسبت به دیگری ندارند.

به زبان عامیانه:الماس می‌تواند شیشه را خراش دهد و نانولوله‌های کربنی نیز می‌توانند شیشه - را روی این بعد، یعنی دو کراوات، خراش دهند.

2.2 سختی ویکرز: الماس غالب است

سختی ویکرز با فشار دادن یک فرورفتگی الماس به سطح مواد و اندازه گیری عمق فرورفتگی اندازه گیری می شود. در این آزمایش، نانولوله‌های کربنی حالت معمولی به مراتب کمتر از الماس هستند:

این تفاوت حدود 50 برابر است.

اما در اینجا یک نکته کلیدی وجود دارد: 185 HV "نانولوله کربن + آلیاژ آلومینیوم" را اندازه گیری می کند، کل تحقیقات - که واقعاً منعکس کننده سختی خود نانولوله های کربنی است با استفاده از یک سیستم "فشار{3} فوق العاده" دیگر در آزمایشگاه انجام شده است.

3. لحظه "تغییر": به نانولوله های کربنی فشار وارد کنید، آنها از الماس سخت تر می شوند.

نتیجه گیری:هنگامی که نانولوله‌های کربنی به صورت سرد تا بیش از 75 گیگا پاسکال (750000 اتمسفر) فشرده می‌شوند، به یک فاز کربنی فوق‌سخت جدید با مدول حجیمی فراتر از الماس تبدیل می‌شوند.

این «کارت برنده» واقعی نانولوله‌های کربنی است.

3.1 آزمایش فشرده سازی سرد: 75 گیگا پاسکال باعث انتقال فاز می شود

در سال 2004، تیمی به رهبری ژونگ وو وانگ در دانشگاه آریزونا یک مطالعه مهم را درPNAS. آنها نانولوله های کربنی چند دیواره{1} را در سلول سندان الماسی قرار دادند و آنها را تا حدود 100 گیگا پاسکال (حدود 1 میلیون اتمسفر) تحت فشار قرار دادند. آنها دریافتند که در حدود 75 گیگا پاسکال، نانولوله های کربنی به یک فاز کربنی شش ضلعی کاملاً جدید تبدیل می شوند.

داده های کلیدی:

مدول توده ای نشانگر "مقاومت یک ماده در برابر فشرده سازی" است - هر چه مدول توده ای بالاتر باشد، فشرده سازی مواد تحت فشار دشوارتر است. فاز پرفشار نانولوله‌های کربنی در این شاخص از الماس پیشی می‌گیرد.

3.2 بسته‌های الماس نانوتوئین‌شده: رکورد-شکستن 241 گیگا پاسکال

در سال 2021، تیمی به رهبری پروفسور ژائو ژیشنگ و پروفسور شو بو در دانشگاه یانشان تحقیقاتی را درPNAS. آنها با استفاده از فیلم‌های نانولوله‌ای کربنی چند دیواره با جهت‌گیری بالا به‌عنوان پیش‌ساز، الماس را با بسته‌های نانوتیله‌ای با جهت ترجیحی از طریق عملیات حرارتی-فشار بالا{3}}بالا (HPHT) سنتز کردند.

شگفت انگیزترین نتایج:

241 GPa به چه معناست؟ سختی Knoop الماس خشن (الماس طبیعی) معمولاً بین 60-100 گیگا پاسکال است. این به این معنی است که "الماس باندل نانوگرم" تبدیل شده از نانولوله های کربنی 2 تا 4 برابر سخت تر از الماس معمولی است.

این آزمایش همچنین نشان داد که این ماده ناهمسانگردی مکانیکی قابل‌توجهی را نشان می‌دهد: سختی بسته به جهت دسته‌های دوتایی نانومتری متفاوت است، با بالاترین سختی زمانی که فرورفتگی عمود بر دسته‌های دوقلو باشد.

4. "سقف نظری": نانولوله های کربنی کووالانسی سه بعدی-

نتیجه گیری:محاسبات نظری پیش‌بینی می‌کنند که سختی ویکرز برخی از پلیمرهای نانولوله‌های کربنی کووالانسی سه بعدی می‌تواند به بالای 40 گیگا پاسکال برسد که بین نیترید بور مکعبی و الماس قرار می‌گیرد.

علاوه بر سنتز تجربی، دانشمندان از محاسبات اولیه-برای پیش‌بینی پلیمرهای نانولوله کربنی فوق‌سخت که هنوز سنتز نشده‌اند، استفاده کرده‌اند.

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 گیگا پاسکال به طور کلی آستانه برای مواد فوق سخت در نظر گرفته می شود).

اگرچه در حال حاضر هنوز در مرحله نظری است، اما این پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهند که پتانسیل نانولوله‌های کربنی برای تبدیل به ساختارهای فوق‌سخت سه بعدی بسیار فراتر از درک فعلی است.

5. یک جدول برای درک: کدام یک "سخت تر" است؟

پاسخ نهایی:

در شرایط عادی:الماس "سخت تر" است. در آزمایش‌های حالت عادی، سختی ویکرز الماس بسیار بیشتر از مواد کامپوزیتی نانولوله‌های کربنی است.

تحت فشار:نانولوله های کربنی «سخت تر» هستند. وقتی نانولوله‌های کربنی بالای 75 گیگا پاسکال فشرده می‌شوند، به یک ماده فوق‌سخت تبدیل می‌شوند که سخت‌تر از الماس - است، چه از نظر مدول حجیم (447 در مقابل 440 گیگا پاسکال) و چه از نظر سختی ویکرز (241 در مقابل 100 گیگا پاسکال)، به طور کامل از الماس پیشی می‌گیرد.

نانولوله‌های کربنی مانند «خدای جنگ» در دنیای مواد هستند - که در شرایط عادی معمولی به نظر می‌رسند، اما وقتی «چشم سوم» آن‌ها باز می‌شود (فشار شدید اعمال می‌شود)، سختی آن‌ها فوراً از الماس پیشی می‌گیرد و به «پادشاه مواد فوق‌سخت» تبدیل می‌شود.

6. ماده جدید شاندونگ تانفنگ: "پایه مواد خام" صنعت نانولوله های کربنی

شرکت فناوری مواد جدید شاندونگ تانفنگ با خلوص بالا (بیش از یا برابر با 98%) پودر نانولوله کربنی چند دیواره/تک جداره- را ارائه می‌کند که به عنوان یک ماده خام ایده‌آل برای تحقیقات پیشرفته مانند انتقال فاز فشار بالا عمل می‌کند.

خواه این رکورد-شکستن رکورد 241 گیگا پاسکال دانشگاه یانشان باشد یا تحقیقات انتقال فاز فشرده سازی سرد 75 گیگا پاسکال دانشگاه آریزونا، نقطه شروع هر دو، مواد خام نانولوله کربنی با کیفیت-بالا است.

Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. دقیقاً "قدرت منبع" در این مسیر از "مواد خام تا فوق سخت" است.

تیم دانشگاه یانشان توانست مواد رکورد جهانی را با "سختی ناپ 241 گیگا پاسکال" با تکیه بر-پیش سازهای نانولوله کربنی با کیفیت بالا ترکیب کند. با 20 سال انباشت صنعت در مواد کربنی، Tanfeng New Material تضمین مواد خام پایدار و قابل اعتمادی را برای چنین تحقیقات پیشرفته ای ارائه می کند.

نتیجه گیری: کدام سخت تر است؟ به - الماس در شرایط عادی، نانولوله های کربنی تحت فشار پاسخ دهید

بحث بر سر سختی بین نانولوله‌های کربنی و الماس در نهایت پاسخی به دست می‌دهد که تابعی - تابعی از "فشار" است. به نانولوله‌های کربنی فشار کافی وارد کنید تا از الماس پیشی بگیرند و به «پادشاه مواد فوق‌سخت» تبدیل شوند.

این جذابیت نهایی نانولوله‌های کربنی است: آنها می‌توانند به اندازه‌ای نرم باشند که به سیم‌های نانومقیاس بپیچند و به اندازه‌ای «سخت» باشند که از الماس پیشی بگیرند. از رکورد 241 گیگا پاسکال دانشگاه یانشان گرفته تا خروجی پایدار ماده جدید Tanfeng از نانولوله های کربنی با خلوص بیشتر یا برابر با 98 درصد، این «بحث سختی» از اکتشاف آکادمیک به سمت تحول صنعتی در حال حرکت است.