1. Uglerod nanotubalari qanday qilib “o‘stiriladi”?
Uglerod nanotubalari erdan qazib olinmaydi; ular laboratoriyalarda "o'stiriladi". Uglerod atomlari oʻziga xos tarzda joylashib, ichi boʻsh quvurli tuzilmalarga aylanadi-bu jarayon grafen qogʻozini somonga oʻrashga oʻxshaydi.
1991 yilda kashf etilganidan beri olimlar ushbu "super material"ni tayyorlashning turli usullarini ishlab chiqdilar. Ular orasida yoyni tushirish usuli, lazerli ablasyon usuli va kimyoviy bug'larni cho'ktirish (CVD) usuli uchta eng asosiy yondashuv hisoblanadi. Ushbu maqolada har bir usulning oʻziga xos xususiyatlari-ularning qanday ishlashi, ularning afzalliklari va kamchiliklari va qaysi biri sanoat ishlab chiqarishi uchun koʻproq mos kelishi muhokama qilinadi.
2. Tayyorlashning uchta asosiy usulini batafsil tushuntirish
2.1 Arkni tushirish usuli: "Eng an'anaviy" usul
Arkni tushirish usuli CNTlarni kashf qilishda qo'llaniladigan birinchi usul bo'lib, uni "veteran" texnologiya deb hisoblash mumkin.
Bu qanday ishlaydi?
Reaktorga inert gaz (odatda geliy yoki argon) kiritiladi va anod va katod sifatida ikkita grafit novda ishlatiladi. To'g'ridan-to'g'ri oqim qo'llanilganda, anoddagi grafit yuqori harorat ta'sirida bug'lanadi va uglerod atomlari katod yuzasiga va reaktor devorlariga "tuyoq" bo'lib, CNT hosil qilish uchun qayta joylashadi.
Mahsulotlardagi farqlar:
Ko'p-devorli CNTlar:To'g'ridan-to'g'ri sof grafit elektrodlari yordamida sintezlanishi mumkin.
Yagona devorli-CNTlar:Anodga temir, kobalt yoki nikel kabi metall katalizatorlarni qo'shishni talab qiling.
Afzalliklari:
Mahsulotning yuqori kristalliligi va mukammal tuzilishi-devor nuqsonlari, yuqori grafitlanish darajasi.
Nisbatan etuk texnologiya, oddiy uskunalar.
Uchta usul orasida eng yaxshi mahsulot sifati.
Kamchiliklari:
Yuqori vakuum va o'ziga xos harorat sharoitlarini talab qiluvchi yuqori energiya iste'moli.
Past rentabellik; iqtisodiy jihatdan kengaytirish qiyin.
Mahsulotlar ko'p miqdorda amorf uglerod, fullerenlar va boshqa aralashmalar bilan aralashtiriladi, bu esa tozalash bosqichlarini talab qiladi.
Metall va yarim o'tkazgichli CNTlar aralashtiriladi va ularni ajratib bo'lmaydi.
Elektrodlar va maqsadlarni davriy almashtirishni talab qiladi.
Xulosa:Yaxshi sifat, lekin past rentabellik va yuqori aralashmalar; yirik sanoat ishlab chiqarish- uchun mos emas.
2.2 Lazerli ablasyon usuli: eng yuqori aniqlik, eng past rentabellik
Lazer ablasyon usuli birinchi marta 1995 yilda Guo va uning hamkasblari tomonidan xabar qilingan va yoyni tushirish usulining "yangilangan versiyasi" deb hisoblanishi mumkin.
Bu qanday ishlaydi?
Yuqori haroratli (800–1500 daraja) inert atmosferada yuqori-energiyali lazer nuri impulsi kvarts trubasiga oʻrnatilgan qattiq grafit nishonni bombardimon qiladi va uni bugʻlaydi. Uglerod atomlari CNT larga qayta yig'iladi, so'ngra ular qurilma ichida uglerod{5}}asosidagi kuyik shaklida yig'iladi.
Afzalliklari:
Sintezlangan CNTlar yuqori strukturaviy mukammallikka ega.
MWCNT aralashmalarisiz SWCNT ishlab chiqarishi mumkin.
Muayyan xiralitlarni ishlab chiqarishni nazorat qila oladi (masalan, (10,10) CNT).
Kamroq amorf uglerod aralashmalari hosil qiladi.
Kamchiliklari:
murakkab va qimmat uskunalar; yuqori lazer narxi.
Juda past hosil-bir preparat uchun faqat milligramm miqdori.
Yuqori energiya iste'moli; yuqori harorat va bosim sharoitlarini talab qiladi.
Bundan tashqari, tozalashni talab qiladigan nopoklik muammolari mavjud.
Ta'sir etuvchi omillar:Maqsadning kimyoviy tarkibi, lazer kuchi va to'lqin uzunligi, substrat va maqsad o'rtasidagi masofa - barchasi mahsulotning hosildorligi va sifatiga ta'sir qiladi.
Xulosa:Eng yuqori aniqlik va soflik, lekin hosil juda achinarli darajada past; faqat laboratoriyalarda mexanik tadqiqotlar uchun javob beradi.
2.3 Kimyoviy bug'larning cho'kishi (CVD): sanoatlashtirishning "ishchi kuchi"
CVD usuli hozirda sanoat ishlab chiqarishining asosiy tanlovi bo'lib, yirik-miqyosdagi ishlab chiqarishga erishishning eng istiqbolli usuli hisoblanadi.
Bu qanday ishlaydi?
Tarkibida uglevodorodlar yoki uglerod{0}}oksidlar (masalan, metan, asetilen, etilen) yuqori haroratli, metall katalizatorlari (temir, kobalt, nikel va boshqalar) boʻlgan yuqori-trubkali pechga kiritiladi. Gaz katalizator yuzasida parchalanadi va uglerod atomlari CNT hosil qilish uchun qayta joylashadi.
Uskunalar turlari:Gorizontal reaktorlar, suyuq qatlamli reaktorlar, vertikal reaktorlar va boshqalar.
Nima uchun CVD asosiy oqimga aylandi?
Past harorat:Reaktsiya harorati (600-1000 daraja) yoyni tushirish va lazer usullaridan (3000 darajadan yuqori) ancha past.
Doimiy ishlab chiqarish:Gaz doimiy ravishda kiritiladi, CNTlar doimiy ravishda o'sib boradi, bu uzluksiz ishlashga imkon beradi.
Yuqori hosil:Bitta reaktorning ishlab chiqarish quvvati boshqa ikkita usuldan ancha yuqori.
Yaxshi nazorat qilish qobiliyati:Katalizator, harorat va gaz oqim tezligi kabi parametrlarni sozlash orqali CNT ning diametri, uzunligi va tuzilishini nazorat qilish mumkin.
Kamchiliklari:
Mahsulotlar ko'proq strukturaviy nuqsonlarga ega; grafitlanish darajasi yoyni tushirish usulidagi kabi yuqori emas.
Tozalash bilan ishlov berishni talab qiluvchi katalizator metall aralashmalarini saqlab qolishi mumkin.
Katalizatorni tanlash juda muhim{0}}katalizator mahsulot sifati va hosildorligini bevosita belgilaydi.
Xulosa:CVD usuli sanoatlashtirish uchun optimal tanlovdir-garchi tozaligi dastlabki ikki usuldan bir oz pastroq bo'lsa-da, unumdorlik, xarajat va nazorat qilish bo'yicha keng qamrovli afzalliklarga ega.
3. Uch usulning taqqoslash xulosasi
| Taqqoslash o'lchami | Ark zaryadsizlanishi | Lazerli ablasyon | Kimyoviy bug'ning cho'kishi (CVD) |
|---|---|---|---|
| Reaktsiya harorati | ~ 4000 daraja | 800-1500 daraja | 600-1000 daraja |
| Mahsulotning tozaligi | Yuqori (lekin tarkibida aralashmalar mavjud) | Juda yuqori | O'rtacha (tozalashni talab qiladi) |
| Strukturaviy mukammallik | Yuqori | Juda yuqori | O'rtacha (kamchiliklari bor) |
| Yo'l bering | Past | Juda past | Yuqori |
| Energiya iste'moli | Yuqori | Juda yuqori | Nisbatan past |
| Uskunaning narxi | O'rta | Juda yuqori | O'rta |
| Boshqarish qobiliyati | Bechora | O'rta | Yaxshi |
| Uzluksiz ishlab chiqarish | Yo'q | Yo'q | Ha |
| Sanoatlashtirish salohiyati | Past | Juda past | Yuqori |
Asosiy xulosa:Labaratoriyalarda yuqori sifatli namunalar-tayyorlash uchun yoy zaryadsizlanishi va lazer ablasyon usullari mos keladi; CVD usuli sanoat yirik{1}}ishlab chiqarish uchun yagona tanlovdir.
4. Ilg'or CVD texnologiyasi: laboratoriyadan o'n -ming{2}} tonnagacha
CVD texnologiyasining o'zi doimiy ravishda rivojlanmoqda. An'anaviy termal CVDga qo'shimcha ravishda plazma{1}}kengaytirilgan CVD (PECVD) va mikroto'lqinli plazma CVD kabi ilg'or texnikalar ishlab chiqilgan. Ular CNTlarni pastroq haroratlarda o'stirishi va trubaning hizalanishi va yo'nalishini aniqroq boshqarishni ta'minlaydi.
Xitoy kompaniyalarining CVD sanoatlashtirishdagi yutuqlari:
Shandong Tanfeng – gaz fazali usulda uglerod nanomateriallarini ishlab chiqarishning asosiy texnologiyasini o‘zlashtirgan kam sonli mahalliy kompaniyalardan biri. To'liq avtomatlashtirilgan boshqaruvdan foydalangan holda mahsulot rentabelligi 99% dan oshdi. Hozirgi vaqtda ishlab chiqarish quvvati yiliga 2000 tonnagacha kengaytirildi va bu dunyodagi eng yirik CNT ishlab chiqarish bazalaridan biriga aylandi.
5. Ishlab chiqaruvchilarning afzalliklari: CVD texnologiyasini "qobiliyatli" dan "foydalanish uchun oson" qilish.
CNT ishlab chiqaruvchisi sifatida biz CVD texnologiyasi yo'nalishini tanladik va sanoatlashtirish darajasida bir nechta aniq ishlarni qildik:
Katalizatorni loyihalash va tayyorlashning asosiy texnologiyasini o'zlashtirish.CVD usulida katalizator "jon"-bo'lib, u to'g'ridan-to'g'ri diametri, devorlar soni va CNTs hosildorligini aniqlaydi. Mustaqil ravishda ishlab chiqilgan katalizator tizimimiz orqali biz tor diametrli taqsimot va yaxshi partiya{2}}to-to‘plam konsistensiyasi bilan mahsulot tuzilishi ustidan aniq nazoratga erishdik.
Reaktor masshtabini oshirish muammosi-yordamida.An'anaviy CVD reaktorlari kam birlik ishlab chiqarish quvvatiga- ega. O'n{2}}ming- tonnalik zavodni qurish yuqori investitsiyalar va qiyin boshqaruvni o'z ichiga olgan parallel ravishda ishlaydigan o'nlab bloklarni talab qiladi. Biz uchinchi{5}}avlodning yirik{6}}reaktor dizaynini qabul qildik, bunda bitta blokning sig‘imi an’anaviy uskunadan bir necha barobar ko‘p bo‘lib, energiya sarfi va mehnat sarfini sezilarli darajada kamaytiradi.
Hozirgi vaqtda bizning CNT mahsulotlarimiz yangi energiya vositalari, ilg'or polimer kompozitlari, elastomerlar, aerokosmik, temir yo'l transporti, shamol energiyasini ishlab chiqarish va boshqa sohalar uchun lityum batareya o'tkazuvchan qo'shimchalarida keng qo'llaniladi. Xom ashyodan tortib reaktorlargacha, katalizatorlardan tozalash va dispersiyaga qadar biz CNTlarni CVD ishlab chiqarish texnologiyasining butun zanjirini o'zlashtirdik va ushbu "super material" ni minglab sanoat tarmoqlariga olib kirishga intildik.