Uglerod nanotubalarining elektr va issiqlik o'tkazuvchanligi qanchalik yaxshi? Ma'lumotlarga asoslangan haqiqiy ishlash tahlili
Materialshunoslikda bir necha moddalar tadqiqotchilarni o'nlab yillar davomida uglerod nanotubalari kabi o'ziga jalb qildi. Toʻliq uglerod atomlaridan tashkil topgan va inson sochining atigi oʻn{1}}diametrini oʻlchaydigan bu quvur shaklidagi tuzilmalar keyingi avlod supermateriallari uchun deyarli barcha umidlarni oʻzida aks ettiradi. Mijozlar bilan suhbatlar davomida doimo bitta savol tug'iladi: uglerod nanotubalarining elektr va issiqlik o'tkazuvchanligi qanchalik yaxshi? Bugun biz bu savolga ma'lumotlar va faktlar bilan javob beramiz.
1. Elektr o'tkazuvchanligi: elektronlar "Supermagistral" bo'ylab yugurmoqda
CNTlarning elektr ishlashini tushunish uchun birinchi navbatda ularning tuzilishini qadrlash kerak. Uglerod atomlari ma'lum bo'lgan eng kuchli kimyoviy bog'lar orasida-sp² gibridizatsiyasi orqali bog'lanadi. Ushbu konfiguratsiyada elektronlar quvur devori bo'ylab deyarli hech qanday to'siqsiz tez harakatlanishi mumkin, bu ballistik elektron tashish deb nomlanuvchi hodisa.
1.1 Ajoyib raqamlar: misdan o'n ming marta ko'p
Nazariy va eksperimental natijalar hayratlanarli: ma'lum yo'nalishlarda CNTlar elektr o'tkazuvchanligini namoyish qilishi mumkin.misdan o'n ming marta yuqori. Xona haroratida SWCNTlarning elektr o'tkazuvchanligi 10³ S/sm gacha yetishi mumkin. Bu qanday ma'nono bildiradi? Agar an'anaviy simlar elektronlar harakat qilish uchun qiynaladigan notekis qishloq yo'llariga o'xshasa, CNTlar elektronlarning to'siqsiz oqishiga imkon beruvchi sakkiz-bo'lakli supermagistralga o'xshaydi.
Kembrij universitetida o'tkazilgan meta{0}}tahlil 266 ta ilmiy maqoladan 1304 ta ma'lumotni- o'rganib chiqdi. Topilmalar shuni ko'rsatdiki, doplangan, tekislangan bir nechta devorli CNTlar (FWCNTs) eng yaxshi-ko'rsatkichlar toifasini ifodalaydi, kislotali tolalar esa, ayniqsa, ajoyib elektr o'tkazuvchanligini ko'rsatadi. Makroskopik CNT birikmalarining elektr o'tkazuvchanligi hali misning elektr o'tkazuvchanligiga to'liq mos kelmagan bo'lsa-da (hozirda misning oltidan bir qismi), CNTlar po'lat zichligining atigi bir qismiga ega ekanligini hisobga olsak, ularning o'ziga xos o'tkazuvchanligi (o'tkazuvchanlik-zichlikka nisbati) allaqachon afzalliklarni ko'rsatmoqda.
1.2 Nima uchun CNTlar juda yuqori o'tkazuvchan?
Tushuntirish kvant mexanikasida yotadi. An'anaviy o'tkazgichlarda elektronlar harakatlanayotganda doimiy ravishda to'qnashadi va qarshilik hosil qiladi. CNTlarda juda kichik o'lchamlari va mukammal tuzilishi tufayli elektronlar deyarli issiqlik hosil qilmasdan "ballistik" harakatlana oladi. C-C bog'lanishlarining sp² gibridlanishi CNT yuzasidagi elektronlarning yorug'lik tezligining 1/300 ga yaqin tezlikda harakatlanishiga imkon beradi, elektronlarning harakatchanligi 20,000 sm²/(V·s) ga etadi.
Bundan tashqari, ularning xiralligiga qarab, CNTlar metall yoki yarim o'tkazuvchanlikni namoyon qilishi mumkin. Ushbu sozlanishi xarakteristikasi ularni elektron qurilmalarda qo'llash uchun keng imkoniyatlar ochadi. 2013 yilda Stenford universiteti butunlay CNT lardan qurilgan markaziy protsessor prototipini muvaffaqiyatli ishlab chiqdi. O'sha paytda uning ish chastotasi atigi 1 kHz bo'lsa-da, bu yondashuvning maqsadga muvofiqligini isbotladi.
2. Issiqlik o'tkazuvchanligi: olmosdan ustun
Agar elektr o'tkazuvchanligi CNTlarni elektronika uchun juda jozibador qilgan bo'lsa, ularning issiqlik ko'rsatkichlari issiqlik boshqaruvi bo'yicha mutaxassislarni hayajonga soldi.
2.1 Nazariy chegara: 5800 Vt/(m·K)
Nazariy prognozlar shuni ko'rsatadiki, CNTlar olmosga qaraganda yuqori issiqlik o'tkazuvchanligiga ega va bu ularni dunyodagi eng issiqlik o'tkazuvchan materialga aylantirishi mumkin. Muayyan raqamlar qanday? SWCNTlar issiqlik o'tkazuvchanligiga erishishi mumkin5800 W/(m·K), MWCNTs esa 3000 Vt/(m·K) ga erishadi. Taqqoslash uchun, olmos{2}}eng yaxshi tabiiy issiqlik o'tkazgich-taxminan 2200 Vt/(m·K) issiqlik o'tkazuvchanligiga ega. Boshqacha qilib aytganda, CNTlar olmosga qaraganda uch baravar yaxshiroq issiqlik o'tkaza oladi.
2.2 Nazariyadan amaliyotga
Albatta, individual CNTning issiqlik o'tkazuvchanligini o'lchash juda qiyin. Shaxsiy MWCNTs bo'yicha dastlabki o'lchovlar nazariy prognozlarga mos keladigan 3000 Vt / (m · K) atrofida qiymatlarni berdi.
Aniqlash kerak bo'lgan muhim nuqta shundaki, CNTlar plyonkalar yoki tolalar kabi makroskopik materiallarga yig'ilganda, umumiy issiqlik o'tkazuvchanligi sezilarli darajada kamayadi. Sababi oddiy: trubaning{1}}truba{2}}kontaktlari va material ichidagi bo'shliqlar issiqlik oqimiga to'sqinlik qiladi. Misol uchun, SWCNTlar ommaviy varaqga bosilganda, o'lchangan xona{4}}haroratining issiqlik o'tkazuvchanligi atigi 35 Vt/(m·K) ni tashkil qiladi. Bu CNTlarning o'zi yomon ishlashini anglatmaydi; aksincha, nano o'lchamdagi istisno xususiyatlarni makroskopik yig'ilishlarga o'tkazish tijoratlashtirish uchun asosiy muammo bo'lib qolayotganini ta'kidlaydi.
2.3 Issiqlik o'tkazuvchanligi mexanizmi: fononlarning roli
CNTlarda issiqlik o'tkazuvchanligi birinchi navbatda fononlar tomonidan boshqariladi. Tadqiqotlar shuni ko'rsatadiki, CNTlarda fononlarning o'rtacha erkin yo'li taxminan 0,5-1,5 mikronni tashkil qiladi. Sp² tuzilishi fononlarni tashishni osonlashtiradi va CNTlarni ajoyib termal xususiyatlari bilan ta'minlaydi. Ushbu samarali issiqlik tarqalish qobiliyati amaliy ilovalarni topdi. AQSh Milliy Standartlar va Texnologiyalar Instituti (NIST) tadqiqotchilari hatto MWCNT{8}}asosidagi qoplamani ishlab chiqdilar, bu esa CNTlarning tez issiqlik tarqalishi va haddan tashqari issiqlik ostida himoya ko'mir qatlamini shakllantirish tufayli poliuretan ko'pikining alangalanuvchanligini 35% ga kamaytiradi.
3. Ushbu xususiyatlar amalda nima qila oladi?
Ta'sirchan nazariy ma'lumotlar oxir-oqibat amaliy dasturlarga aylanishi kerak. Lityum{1}}ionli akkumulyatorlarda CNTlarni o'tkazuvchi qo'shimchalar sifatida-qo'llash yaxshi tasdiqlangan misoldir.
3.1 Lityum-Ion batareyalarida Supero'tkazuvchilar tarmoq
Lityum{0}}ionli batareyali katod materiallarida taxminan 1,5% CNT yuklanishi an'anaviy uglerod qorasining 3% bilan bir xil ta'sirga erishishi mumkin. Eng muhimi, CNTs a yaratadiuch oʻlchovli{0}}oʻtkazuvchi tarmoq. Bir oʻlchovli CNTlar faol zarrachalar bilan birgalikda faol material va oqim kollektori oʻrtasida elektron tashishni samarali kuchaytiruvchi 3D tarmoqni tashkil qiladi. Misol uchun, lityum marganets oksidi (LiMn₂O₄) moddasi bilan MWCNT qo'shilishi 20 tsikldan keyin 99% quvvatni ushlab turishga olib keldi, sof material uchun atigi 90%.
Lityum kobalt oksidi (LiCoO₂) tizimlarida ishlash bir xil darajada ta'sirli. 2C tezligida LiCoO₂/MWCNT xujayralari minimal quvvat pasayishini ko'rsatadi, uglerod qora yoki uglerod tolasi bo'lgan hujayralar esa 20 tsikldan keyin mos ravishda 10% va 30% sig'im yo'qotadi. Sababi oddiy: CNTlar tomonidan hosil qilingan o'tkazuvchan tarmoq zaryadni uzatishni osonlashtiradi va empedansni kamaytiradi.
3.2 Lityum-Ion batareyalaridan tashqari
Batareyalardan tashqari, CNTlar ko'plab boshqa sohalarga ham kiradi:
Aerokosmik: MITda ishlab chiqilgan CNT plyonkasi kompozit materiallarni qizdirishi va davolashi mumkin, an'anaviy avtoklavlar uchun zarur bo'lgan energiyaning atigi 1 foizini iste'mol qiladi, shu bilan birga taqqoslanadigan quvvatga ega qismlarni ishlab chiqaradi.
Elektronika: CNT{0}}asosidagi tranzistorlar kichikroq va o‘tkazuvchanroq bo‘lib, ular kremniyga o‘tish imkoniyatiga ega.
Energiyani saqlash va issiqlikni boshqarish: Superkondensatorlar, termal interfeys materiallari va boshqa sohalarda yangi ilovalar jadal rivojlanmoqda.
4. Shandong Tanfeng tijoratlashtirish jarayonida
Nazariy ma'lumotlar va ilg'or ilovalarni muhokama qilgandan so'ng, keling, amaliy haqiqatlarga qaytaylik. Material qanchalik zo'r bo'lishidan qat'i nazar, agar uni miqyosda ishlab chiqarish yoki ishonchli etkazib berish mumkin bo'lmasa, u sanoat uchun illyuziya bo'lib qoladi.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd.mahalliy CNT tijoratlashtirish jarayonining muhim ishtirokchisi hisoblanadi. Shandong Tanfengning CNT kukuni, SWCNT kukuni, CNT o'tkazuvchan pastasi, CNT o'tkazuvchan masterbatch va kremniy-karbon anod materiallari-R&D, ishlab chiqarish va sotishga bag'ishlangan texnologiyaga yo'naltirilgan korxona sifatida Shandong Tanfeng mahsulot portfeliga kiradi.
Kompaniya CNTs, kremniy{0}}uglerod anod materiallari va aqlli uskunalar ishlab chiqarishga oid o'ndan ortiq faol patentga ega. Ushbu patentlangan texnologiyalar laboratoriyani ishlab chiqishdan ommaviy ishlab chiqarishgacha bo'lgan texnik ishonchlilikni ta'minlaydi. Hozirgi vaqtda Shandong Tanfeng mahsulotlari ettita asosiy sohada keng qo'llaniladi: yangi energiya vositalari, ilg'or polimer kompozitlari, elastomerlar, aerokosmik, temir yo'l transporti, shamol energiyasini ishlab chiqarish va vodorod energiyasini saqlash.
CNT kukunlari uchun Shandong Tanfeng bir nechta navlarni ishlab chiqdi, jumladan TF-210, TF-300, TF-400 va TF-500, tozaligi 99% dan yuqori yoki unga teng va uzunligi 5 dan 15 mkm gacha, turli mijozlarning jarayon talablariga javob beradi. Yuqori nisbatlarga ega MWCNTlar yoki yakuniy ishlash uchun SWCNTlar kerakmi, mos echimlar mavjud.
Faqat kukunni taklif qiluvchi etkazib beruvchilardan farqli o'laroq, Shandong Tanfeng CNT o'tkazuvchan pastalarini ham taqdim etadi, bu esa quyi oqimdagi mijozlarga odatda dispersiya uchun zarur bo'lgan jarayonni o'rganishdan qochishga yordam beradi. Bu, ayniqsa, litiy{1}}ionli akkumulyatorlar ishlab chiqaruvchilar uchun juda qimmatlidir, chunki CNTlarni shlamlarga bir xilda tarqatish sanoatda tan olingan texnik muammo bo'lib qolmoqda. Shandong Tanfeng o'zining uy sharoitida ishlab chiqilgan dispersiya texnologiyasidan-foydalanib, mijozlarga chinakam "xaltadan tashqarida foydalanish" imkonini beruvchi izchil partiya sifatini ta'minlaydi.
5. Realistik nuqtai nazar: ishlash va haqiqat o'rtasida
Materialshunoslar va muhandislar sifatida biz yulduzlarga ham, erdan ham ko'zimizni tutishimiz kerak. CNTlarning elektr va issiqlik o'tkazuvchanligi haqiqatan ham nazariy "shiftlar" dir, ammo amaliy qo'llashda bir nechta faktlarni e'tirof etish kerak:
Birinchidan, nano o'lchamdagi xususiyatlar makroskopik xususiyatlarga teng emas.Alohida CNT 5800 Vt / (m · K) issiqlik o'tkazuvchanligiga ega bo'lishi mumkin, ammo CNTlardan tayyorlangan makroskopik plyonka faqat bir necha o'nga erishishi mumkin. Bu CNTlarning o'zlarida biron bir etishmovchilik bilan bog'liq emas, balki quvur-kontaktlari va makroskopik birikmalardagi bo'shliqlar tufayli sezilarli issiqlik qarshiligini keltirib chiqaradi.
Ikkinchidan, dispersiya doimiy muammo bo'lib qolmoqda.CNTlar yuqori sirt maydonlariga va kuchli van der Waals kuchlariga ega, bu ularni aglomeratsiyaga moyil qiladi. Tegishli dispersiyasiz, hatto eng yuqori elektr o'tkazuvchanligini ham amalga oshirish mumkin emas. Shandong Tanfeng tomonidan taqdim etilgan-oldindan tarqalgan pastalar aynan shu og'riqli nuqtani bartaraf etishga mo'ljallangan.
Uchinchidan, material tanlovi dasturga mos kelishi kerak.Supero'tkazuvchi qo'shimchalarga qo'yiladigan talablar litiy-temir fosfat (LFP) batareyalari va nikel{0}}kobalt-marganets (NCM) batareyalari, shuningdek, kremniy-uglerod anodlari va grafit anodlari o'rtasida farqlanadi. An'anaviy energiya turidagi hujayralar uchun MWCNTlar eng yaxshi iqtisodiy-samaradorlikni taklif qiladi. Tez{7}}zaryadlanuvchi yoki kremniy{8}}anodli tizimlar uchun SWCNTlar kerak bo'lishi mumkin. Shandong Tanfengning ko'p toifali{10}}mahsulot matritsasi mijozlarga ularning ehtiyojlariga qarab tanlash moslashuvchanligini ta'minlash uchun mo'ljallangan.
Bir necha yil oldin sanoat ko'rgazmasida muhandis CNT namunasini o'tkazdi va mendan so'radi: "Ushbu material uchun ma'lumotlar juda ta'sirli ko'rinadi. Nega biz u bilan ideal natijalarga erisha olmaymiz?" O'shanda men javob berdim: "Materialning xususiyatlari va mahsulotning ishlashi ikki xil narsa. Birinchisi tabiatan qobiliyatga bog'liq, ikkinchisi esa mahoratga bog'liq".
Men bugun ham shunday fikrdaman. CNTlarning o'ziga xos qobiliyati shubhasizdir-ular elektr tokini misdan va issiqlikni olmosdan yaxshiroq o'tkazadi. Ammo bu o‘ziga xos qobiliyatni barqaror, ishonchli mahsulotlarga aylantirish uchun Shandong Tanfeng kabi kompaniyalardan-patentlangan texnologiyalar, ishlab chiqarish tajribasi va to‘plangan amaliy tajribaga-"qobiliyat"ni doimiy ravishda "mahorat"ga aylantirish kerak.
Agar siz CNT kukunlari yoki o'tkazuvchan pastalarning ishonchli yetkazib beruvchisini izlayotgan bo'lsangiz yoki mahsulotingizda CNTlarni qanday qo'llash mumkinligini o'rganmoqchi bo'lsangiz, Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd bilan bog'laning. Keling, ushbu "super material" sizning mahsulotlaringizni qanday kuchaytirishi mumkinligini muhokama qilamiz.