کدام سخت تر است، نانولوله های کربنی یا الماس؟ کدام قوی تر است؟

نانولوله های کربنی و الماس ها سختی قابل مقایسه ای دارند، اما تعاریف آنها از "سخت" متفاوت است. از نظر سختی خراش (سختی Mohs)، الماس 10، بالاترین در بین کانی های طبیعی است. نانولوله‌های کربنی ارزش سختی استاندارد Mohs ندارند، اما توانایی خراش آن‌ها با الماس قابل مقایسه است. از نظر سختی ویکرز (مقاومت در برابر فرورفتگی)، الماس 7140-15300 HV است، در حالی که نانولوله‌های کربنی تقریباً 1000-2000 HV هستند. با این حال، تحقیقات نانولوله های کربنی با پیوند کووالانسی سه بعدی با سختی ویکرز 82.8 گیگا پاسکال را سنتز کرده است. از نظر چقرمگی، نانولوله های کربنی 100 برابر قوی تر از فولاد هستند و قابلیت کشش دارند. الماس ها اگرچه سخت هستند، اما بسیار شکننده هستند و با چکش خرد می شوند.نتیجه گیری:در سختی خراش، الماس ≈ نانولوله کربنی. در چقرمگی ضربه، نانولوله کربنی کاملاً از الماس پیشی می‌گیرد.

1. اول، "سختی" را درک کنید: به معنای چیزهای مختلف است

نتیجه گیری:در زندگی روزمره، کلمه "سخت" در واقع دو معنی دارد - سختی خراش (مقاومت در برابر سایش) و مقاومت در برابر ضربه. الماس فقط اولی را می برد، اما دومی را می بازد.

قبل از مقایسه نانولوله‌های کربنی و الماس، لازم است توضیح دهیم: «سختی» در واقع به چه معناست؟

بسیاری از مردم به اشتباه معتقدند که سختی بالا به این معنی است که "با چکش نمی توان شکست". این یک تصور غلط است.

از نظر حرفه ای، سختی به طور عمده به دو نوع تقسیم می شود:

الماس:سختی Mohs 10، بالاترین در بین مواد معدنی طبیعی. با این حال، هنگامی که نیرو در یک جهت خاص اعمال شود، "شکاف هشت وجهی" - دارد، حتی مقدار کمی می تواند باعث شکافتن آن شود. ضربه زدن به الماس با چکش آن را به پودر تبدیل می کند. این به این دلیل نیست که سختی آن کافی نیست، بلکه به این دلیل است که شکنندگی آن زیاد است.

نانولوله های کربنی:متشکل از اتم‌های کربن که با پیوندهای کووالانسی C{0}C، یکی از پایدارترین پیوندهای شیمیایی در طبیعت به هم متصل شده‌اند. سختی Mohs آنها هیچ ارزش استانداردی ندارد، اما توانایی خراش آنها با الماس "مقایسه" است. نکته کلیدی این است که نانولوله های کربنی نیز "انعطاف پذیری خوبی دارند و می توانند کشیده شوند."

برای استفاده از قیاس:الماس مانند یک تکه شیشه است - سطح آن بسیار سخت و مقاوم در برابر سایش-است، اما با انداختن روی زمین خرد می‌شود. نانولوله های کربنی مانند یک سیم فولادی هستند - همچنین می توانند شیشه را خراش دهند، اما همچنین می توانند خم شوند، کشیده شوند و نشکن هستند.

2. اجازه دهید داده ها صحبت کنند: نانولوله های کربنی در مقابل الماس ها - کدام قوی تر است؟

نتیجه گیری:از نظر استحکام کششی و استحکام ویژه (استحکام ÷ چگالی)، نانولوله‌های کربنی «فوق‌الیافی» هستند که الماس نمی‌تواند با آن مطابقت کند. از نظر سختی ویکرز، نانولوله های کربنی طبیعی به سختی الماس نیستند، اما انواع سنتز شده مصنوعی به آن نزدیک شده و یا حتی از آن پیشی گرفته اند.

بیایید مستقیماً به مقایسه داده ها نگاه کنیم:

چندین مورد از این داده ها ارزش بررسی دقیق دارند:

1. استحکام کششی: نانولوله های کربنی به طور کامل برنده می شوند
استحکام کششی نانولوله های کربنی 50{3}}200 گیگا پاسکال است. اگرچه الماس سخت است، اما در "مقاومت در برابر تنش" خوب نیست. برای استفاده از یک قیاس: الماس مانند آجر شیشه ای است - نمی توان آن را خرد کرد، اما با کشیدن به راحتی می شکند.

2. مدول الاستیک: نانولوله های کربنی کمی بهتر است
مدول الاستیک "توانایی مقاومت در برابر تغییر شکل" را اندازه گیری می کند. الماس تقریباً 1.0-1.2 TPa است. مقدار تئوری نانولوله‌های کربنی می‌تواند به 5 TPa برسد، با مقادیر اندازه‌گیری شده معمولاً در محدوده 1-1.8 TPa. از نظر «سفتی»، آنها تقریباً معادل هستند و نانولوله‌های کربنی حتی لبه کمی دارند.

3. قدرت خاص: نانولوله های کربنی بر همه چیز تسلط دارند
استحکام ویژه=استحکام ÷ چگالی، اندازه‌گیری میزان نیروی کششی که یک واحد وزن می‌تواند تحمل کند. استحکام ویژه نانولوله‌های کربنی 100 برابر فولاد است و به 25{7}}100 GPa·cm³/g می‌رسد. این بدان معناست که: اگر طناب را از نانولوله های کربنی بسازید، 100 برابر قوی تر از طناب فولادی با همان وزن خواهد بود. همچنین به همین دلیل است که در رمان علمی تخیلی «مشکل سه بدنه» از «تیغه‌های پرنده نانو» برای بریدن کشتی‌های غول‌پیکر استفاده می‌شود و چرا دانشمندان تصور می‌کنند از نانولوله‌های کربنی برای ساخت «آسانسور فضایی» استفاده کنند.

4. نانولوله‌های کربنی فوق‌العاده سخت: یک پیشرفت علمی جدید
یک مطالعه در سال 2022 یک نانولوله کربنی با پیوند کووالانسی سه بعدی-از طریق محاسبات نظری طراحی کرد. سختی ویکرز آن به 82.8 گیگا پاسکال رسید که با نیترید بور مکعبی قابل مقایسه است. مطالعه دیگری در همان سال دو پلیمر نانولوله کربنی فوق‌{5}سخت فراپایدار با سختی ویکرز به ترتیب 40.4 GPa و 37.1 GPa را پیش‌بینی کرد.

این داده‌ها نشان می‌دهد که نانولوله‌های کربنی نه‌تنها می‌توانند الماس را از نظر چقرمگی شکست دهند، بلکه دانشمندان آن‌ها را قادر می‌سازند تا از الماس در شاخص «سختی» پیشی بگیرند.

3. آیا تیغه پرنده نانو واقعی است؟ نانولوله های کربنی چقدر قوی هستند؟

نتیجه گیری:«تیغه پرنده نانو» از «سه-مشکل بدنه» که کشتی‌های غول پیکر را برش می‌دهد بر اساس نانولوله‌های کربنی است. در واقع، استحکام نظری نانولوله‌های کربنی برای «برش فلز مانند گل» کافی است.

در رمان علمی تخیلی «سه-مشکل بدن»، یک «تیغه پرنده نانو» تنها یک-دهم ضخامت موی انسان می‌تواند یک کشتی غول‌پیکر مانند توفو را تکه تکه کند. این مفهوم از هوای رقیق ساخته نشده است - نمونه اولیه آن نانولوله کربنی است.

نانولوله های کربنی در واقعیت چه چیزی می توانند به دست آورند؟

100 برابر قوی تر از فولاد:بسته‌ای از نانولوله‌های کربنی نازک‌تر از موی انسان از نظر تئوری می‌تواند ماشین را بلند کند.

قوی تر از هر فیبری:نانولوله‌های کربنی از نظر استحکام و چقرمگی به مراتب از هر فیبر شناخته شده برتری دارند.

آسانسور فضایی یک رویا نیست:دانشمندان بر این باورند که نانولوله های کربنی بهترین ماده کاندید برای ساخت کابل یک «آسانسور فضایی» هستند.

البته، گلوگاه فنی فعلی در چگونگی تکرار عملکرد استثنایی یک نانولوله کربنی در یک ماده ماکروسکوپی نهفته است. این مشکل دشواری است که دانشمندان در سراسر جهان برای غلبه بر آن تلاش می کنند.

4. مواد جدید Tanfeng چگونه این "مواد فوق العاده" را تولید می کند

Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. در حال تبدیل خواص مکانیکی عالی نانولوله های کربنی به محصولات قابل تولید انبوه- است و "مواد فوق العاده" را از آزمایشگاه خارج می کند.

تئوری یک چیز است، اما به‌کارگیری «ابرقدرت‌های» نانولوله‌های کربنی در محصولات واقعی نیازمند شرکت‌هایی است که بر فناوری تولید{0} در مقیاس بزرگ تسلط داشته باشند.

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

چه کاری انجام می دهد؟تمرکز این شرکت بر تحقیق و توسعه و تولید پودر نانولوله کربنی، خمیر رسانا و مواد آند کربنی سیلیکونی-است. محصولات آن طیف کاملی از نانولوله‌های کربنی تک‌جداره-و نانولوله‌های کربنی چند جداره-را پوشش می‌دهند.

توان فنی آن چقدر است؟

دارای بیش از ده پتنت فعال مربوط به نانولوله های کربنی.

تسلط بر فرآیندهای آماده سازی مختلف از جمله تخلیه قوس الکتریکی، فرسایش لیزری و رسوب بخار شیمیایی (CVD).

خلوص محصول بیشتر یا مساوی 98%؛ اندازه ذرات پودر می تواند به 5-15 میکرومتر برسد.

تولید ماهانه به 200 تن می رسد که در حال حاضر در حال تولید انبوه است.

خواص مکانیکی نانولوله های کربنی را در کجا اعمال می کند؟مدول نظری یانگ در محصولات نانولوله کربنی Tanfeng می تواند به 5 TPa برسد، با استحکام تقریباً 100 برابر فولاد و چگالی فقط 1/6 از فولاد. این خواص مکانیکی عالی در زمینه های زیر مورد استفاده قرار می گیرد:

این شرکت از نزدیک استراتژی توسعه ملی برای انرژی‌های جدید و مواد جدید را دنبال می‌کند و دامنه کسب‌وکار آن در سراسر کشور گسترش می‌یابد و آرزو دارد که به یک «ارائه‌دهنده مواد پیشرفته و ارائه‌دهنده خدمات فنی» تبدیل شود.

خلاصه یک جمله-:در حالی که دانشمندان در آزمایشگاه‌ها ثابت می‌کنند که نانولوله‌های کربنی یک «الیاف فوق‌العاده» هستند، شرکت‌هایی مانند Tanfeng New Material آنها را به محصولاتی تبدیل می‌کنند که می‌توانید بخرید.

نتیجه گیری: کدام سخت تر است؟ پاسخ بستگی به این دارد که چگونه "سخت" را تعریف کنید

نتیجه نهایی این است:

در مفهوم سنتی «مقاومت در برابر سایش»، نانولوله های الماسی و کربنی هر کدام مزایای خود را دارند. اما از نظر "خواص مکانیکی جامع" - به ویژه استحکام کششی، چقرمگی و استحکام ویژه - نانولوله‌های کربنی سلطان بلامنازع هستند.

الماس "سخت ترین ماده معدنی طبیعی روی زمین" است، اما نانولوله های کربنی "قوی ترین الیاف ساخته شده توسط انسان" هستند.

همانطور که یکی از دانشمندان علم مواد گفت: "الماس پادشاه گذشته است؛ نانولوله های کربنی سنگ بنای آینده هستند."

و از آنجایی که این ماده آینده در حال تولید انبوه- توسط شاندونگ تانفنگ است، می‌توان گفت: عصر نانولوله‌های کربنی فرا رسیده است.