Qaysi biri "qattiqroq", uglerod nanotubalari (CNTs) yoki olmos? Javob siz unga bosim o'tkazganingizga bog'liq. Mohs qattiqligi bo'yicha ikkalasini solishtirish mumkin - uglerod nanotubalarining qattiqligi olmosnikiga teng. Vickers qattiqligi nuqtai nazaridan, tabiiy holatdagi uglerod nanotubalari (185,1 HV) olmosdan ancha past (10 000 HV darajasida). Ammo uglerod nanotubalari sovuq siqilganda mo''jiza ro'y beradi: ular 447 GPa ommaviy modulli ultraqattiq faza hosil qilishi mumkin, qattiqlik qiymati dastlabki 185,1 HV dan 241 GPa (24 100 HV) gacha ko'tariladi, bu qo'pol olmosdan 4 baravar (taxminan 60 GPa). Buning ma'nosi: oddiy sharoitda olmos qattiqroq; yuqori bosim bilan ishlov berishdan soʻng, uglerod nanotubalari olmosdan oʻtib, “Ultra qattiq materiallar qiroli” boʻlishi mumkin. Shandong Tanfeng New Material yuqori{17}}tozalikdagi ko‘p{18}}devorli/bitta devorli-uglerodli nanotubalarni taqdim etadi va bunday yuqori samarali tadqiqotlar uchun ideal xom ashyo bo‘lib xizmat qiladi.
1. Avval standartni aniqlang: "Qattiqlik" ning ikki turi, ikkita javob
Xulosa:Qaysi biri “qattiqroq”, uglerod nanotubalarimi yoki olmosmi? Bu qaysi qattiqlik turini oʻlchayotganingizga bogʻliq boʻladi - Mohs qattiqligi, Vikers qattiqligi va ultra-yuqori bosim fazasi oʻzgarishidan soʻng ommaviy modul butunlay boshqacha javob beradi.
Materialshunoslikda "qattiqlik" atamasi kamida uchta ma'noga ega. Turli xil o'lchash usullari va turli shartlar butunlay boshqacha xulosalar beradi:
| Qattiqlik turi | O'lchash usuli | Olmosning odatiy qiymati | Uglerod nanotubkasining tipik qiymati |
|---|---|---|---|
| Mohs qattiqligi | Minerallarni bir-biriga qarama-qarshi qo'ying | 10 (eng yuqori) | Olmos bilan solishtirish mumkin |
| Vickers qattiqligi (Oddiy holat) | Olmos identifikatori ichkariga kirmoqda | 10 000 HV (taxminan 100 GPa) | 185,1 HV (kompozit material) |
| Vickers qattiqligi (yuqori{0}}bosim fazasi) | Sovuq siqishdan keyin o'lchanadi | Taxminan 100-150 GPa | 241 GPa (CNT dan tayyorlangan nanotinlangan olmos to'plamlari) |
| Ommaviy modul | Siqilishga qarshilik | Taxminan 440-442 GPa | Sovuq siqilgan faza 447 GPa |
Asosiy farq:Uglerod nanotubalarining tabiiy holatida o'lchangan qattiqlik qiymati nisbatan past (ayniqsa, kompozitlarda), lekin ular haddan tashqari siqilishga duchor bo'lgach, olmosdan ham qattiqroq bo'lgan o'ta qattiq fazaga aylanadi.
Eslatma: Uglerodli nanotubali kompozit materialning (masalan, CNT/2024 alyuminiy qotishmasi) Vickers qattiqligi taxminan 185 HV ni tashkil qiladi. Bu qiymat uglerod nanotubalarining qattiqligini emas, balki kompozitning umumiy qattiqligini aks ettiradi. Alohida uglerod nanotubalarining qattiqligi bo'yicha tadqiqotlar asosan ultra-yuqori bosimli fazalarni o'zgartirish sohasida olib boriladi.
2. Oddiy davlat ko'rinishi: Mohs Hardness Tie, Vickers Hardness Diamond g'alaba qozondi
Xulosa:Kundalik hayotda duch keladigan "normal" sharoitlarda (normal bosim, xona harorati) olmos qattiqlikning mutlaq shohidir. Uglerod nanotubalarining qattiqlik ko'rsatkichlari asosan kompozit matritsaga bog'liq.
2.1 Mohs qattiqligi: bo'yin va bo'yin
"O'zaro tirnash xususiyati" nuqtai nazaridan, uglerod nanotubalarining qattiqligi olmos bilan "qiyoslanadi".
Uglerod nanotubalari sp² kovalent bog'lar orqali bog'langan uglerod atomlaridan iborat bo'lib, oltita a'zoli halqa tuzilishini hosil qiladi, olmos esa sp³ kovalent bog'larning uch o'lchovli ramkasidan iborat. Ikkalasi ham uglerod-uglerod bog'lari - tabiatdagi eng barqaror kimyoviy bog'lanishlardan biridir. Shuning uchun, bir-birini tirnashda, hech birining boshqasidan aniq ustunligi yo'q.
Oddiy til bilan aytganda:Olmos oynani tirnashi mumkin va uglerod nanotubalari ham bu oʻlchamda, ikkita bogʻlovchi oynani - tirnashi mumkin.
2.2 Vickers qattiqligi: olmos ustunlik qiladi
Vickersning qattiqligi olmos denterini material yuzasiga bosish va chuqurlik chuqurligini o'lchash orqali o'lchanadi. Ushbu sinovda an'anaviy uglerod nanotubalari olmosdan ancha past:
| Material | Vickers qattiqligi |
|---|---|
| Olmos | Taxminan 100 GPa magnitudasi (10 000 HV) |
| Uglerod nanotube/alyuminiy qotishma kompozitsiyasi | Qattiq eritma + qarish jarayonidan keyin maksimal taxminan 185,1 HV |
Farqi taxminan 50 baravar.
Ammo bu erda muhim bir nuqta bor: 185 HV "uglerod nanonaychalari + alyuminiy qotishmasi" ni o'lchaydi, uglerod nanotubalarining qattiqligini haqiqatan ham aks ettiruvchi - tadqiqot laboratoriyada boshqa "ultra{3}}yuqori bosim" tizimi yordamida amalga oshiriladi.
3. "Transformatsiya" lahzasi: uglerod nanotubalariga bosim o'tkazing, ular olmosdan qattiqroq bo'ladi
Xulosa:Uglerod nanotubalari taxminan 75 GPa (750 000 atmosfera) dan yuqori haroratgacha sovuq siqilganda, ular olmos modulidan kattaroq massa moduli bilan yangi ultraqattiq uglerod fazasiga aylanadi.
Bu uglerod nanotubalarining haqiqiy "koziri".
3.1 Sovuq siqish tajribasi: 75 GPa fazaga o'tishni tetiklaydi
2004-yilda Arizona universitetining Zhongwu Wang boshchiligidagi guruh muhim tadqiqotni nashr etdi.PNAS. Ular ko'p devorli uglerod nanotubalarini olmosli anvil xujayrasiga joylashtirdilar va ularga taxminan 100 GPa (taxminan 1 million atmosfera) gacha bosim o'tkazdilar. Ular taxminan 75 GPa da uglerod nanotubalari butunlay yangi olti burchakli uglerod fazasiga aylanganini aniqladilar.
Asosiy ma'lumotlar:
| Parametr | Qiymat |
|---|---|
| Ommaviy modul | 447 GPa (sobit K′=4 bilan), olmosning taxminan 440-442 GPa dan oshadi |
| Zichlik | 3,6±0,2 g/sm³, olmos bilan solishtirish mumkin |
| Qayta tiklanadigan | Bu bosqich bosim chiqarilgandan keyin atrof-muhit muhitida saqlanib qoldi |
Ommaviy modul - materialning "siqilishga chidamliligi" ko'rsatkichi - massa moduli qanchalik baland bo'lsa, bosim ostida materialni siqish shunchalik qiyin bo'ladi. Uglerod nanotubalarining yuqori-bosim fazasi bu indikatorda olmosdan oshib ketadi.
3.2 Nanotwinned olmos to‘plamlari: Rekord-241 GPa
2021-yilda Yanshan universiteti professori Chjao Chjisheng va professor Syu Bo boshchiligidagi guruh tadqiqotini chop etdi.PNAS. Prekursorlar sifatida yuqori yoʻnaltirilgan koʻp devorli uglerod nanotube plyonkalaridan foydalanib, ular yuqori{2}}bosim yuqori-harorat (HPHT) bilan ishlov berish orqali afzal yoʻnaltirilgan nanotobli toʻplamlar bilan olmosni sintez qilishdi.
Eng hayratlanarli natijalar:
| Parametr | Qiymat |
|---|---|
| Knoop qattiqligi | 241 GPa gacha, bu avvalgi jahon rekordidan 20% dan ortiq |
241 GPa nimani anglatadi? Qo'pol olmosning (tabiiy olmos) Knoop qattiqligi odatda 60-100 GPa orasida. Bu degani, uglerod nanotubalaridan aylantirilgan “nanotinlangan to‘plamli olmos” oddiy olmosdan 2-4 baravar qattiqroq.
Tajriba shuni ko'rsatdiki, bu material sezilarli mexanik anizotropiyani namoyish etadi: qattiqlik nanotiblangan to'plamlarning yo'nalishiga qarab o'zgaradi, eng yuqori qattiqlik indenter egizak to'plamlarga perpendikulyar bo'lganda erishiladi.
4. “Nazariy shift”: uch oʻlchovli-kovalent uglerodli nanotubalar
Xulosa:Nazariy hisob-kitoblarga ko'ra, ma'lum uch o'lchovli kovalent uglerod nanotubka polimerlarining Vickers qattiqligi{0}} kubik bor nitridi va olmos o'rtasida 40 GPa dan oshishi mumkin.
Eksperimental sintezdan tashqari, olimlar hali sintez qilinmagan ultraqattiq uglerod nanotubali polimerlarni bashorat qilish uchun-birinchi tamoyil hisob-kitoblaridan foydalanganlar.
| Struktura nomi | Vickers qattiqligi | Guruh xususiyatlari |
|---|---|---|
| CNP-oC36 | 40,4 GPa | Bilvosita tarmoqli yarimo'tkazgich (1,29 eV) |
| CNP-oC40 | 37,1 GPa | Bilvosita tarmoqli yarimo'tkazgich (0,67 eV) |
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 GPa odatda ultra qattiq materiallar uchun chegara hisoblanadi).
Hozircha nazariy bosqichda boʻlsa-da, bu bashoratlar shuni koʻrsatadiki, uglerod nanotubalarining uch oʻlchovli oʻta qattiq tuzilmalarga-oʻzgarishi hozirgi tushunchadan ancha yuqori.
5. Tushunish uchun bitta jadval: Qaysi biri “Qiyinroq”?
| Sinov holati / holati | Olmos | Uglerodli nanotubka | G'olib |
|---|---|---|---|
| Mohs qattiqligi (tirnalgan) | 10 | Olmos bilan solishtirish mumkin | Bog'lash |
| Oddiy holatdagi Vickers qattiqligi | ~100 GPa | 185 HV (kompozit material) | Olmos |
| Sovuq siqishdan keyin ommaviy modul | ~440 GPa | 447 GPa | Uglerodli nanotubka |
| Yuqori-bosim fazasi Vickers qattiqligi | ~100 GPa | 241 GPa | Uglerodli nanotubka |
Yakuniy javob:
Oddiy sharoitlarda:Olmos "qattiqroq". Oddiy holat sinovlarida olmosning Vickers qattiqligi uglerod nanotubali kompozit materiallardan ancha yuqori.
Bosim ostida:Uglerod nanotubalari "qattiqroq". Uglerod nanotubalari 75 GPa dan yuqori siqilganda, ular olmosdan qattiqroq bo'lgan ultraqattiq materialga aylanadilar - massa moduli (447 ga qarshi 440 GPa) yoki Vickers qattiqligi (241 ga qarshi ~ 100 GPa) jihatidan ular olmosdan har tomonlama oshib ketadi.
Uglerod nanotubalari oddiy sharoitlarda oddiy ko‘rinishga ega bo‘lgan moddiy dunyoda - “urush xudosi”ga o‘xshaydi, biroq ularning “uchinchi ko‘zi ochilgandan” keyin (haddan tashqari bosim qo‘llanilganda) ularning qattiqligi bir zumda olmosdan oshib, “Ultra qattiq materiallar qiroli”ga aylanadi.
6. Shandong Tanfeng yangi material: uglerod nanotube sanoatining "xom ashyo bazasi"
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. yuqori-tozalikni ta'minlaydi (98% dan ortiq yoki unga teng) ko'p{4}}devorli/yagona devorli uglerod nanotube kukuni-yuqori bosim fazalari o'tishlari kabi-qirrali tadqiqotlar uchun ideal xom ashyo bo'lib xizmat qiladi.
Bu Yanshan universiteti rekordi boʻladimi, 241 GPa tadqiqoti boʻladimi yoki Arizona universitetining 75 GPa sovuq siqish bosqichiga oʻtish boʻyicha tadqiqoti boʻladimi, ikkalasining ham boshlangʻich nuqtasi yuqori sifatli uglerod nanotube xomashyosi-boʻladi.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. bu yo'lda "xom ashyodan ultra qattiq"gacha bo'lgan "manba quvvati" dir.
| Afzallik o'lchami | Tanfeng yangi materialining kuchi |
|---|---|
| Mahsulot matritsasi | Bitta{0}}devorli/ikki devorli-devorli/koʻp devorli-uglerod nanotubalarining toʻliq assortimenti (SWCNT/DWCNT/MWCNT) |
| Mahsulotning tozaligi | 98% dan katta yoki teng, yaxshi partiyaning mustahkamligi |
| Tayyorgarlik jarayonlari | Ark deşarjı, lazer ablasyonu, kimyoviy bug'larning cho'kishi (CVD); bir nechta jarayonlarni o'zlashtirish |
| Asosiy parametrlar | TF-210 seriyali va boshqalar; zarrachalar hajmi 5-15 mkm |
| Mexanik xususiyatlar | Nazariy Young moduli 5 TPa gacha; po'latdan 100 baravar kuchli; og'irligi po'latning 1/6 qismi |
| Ilova tartibi | Yangi energiya vositalari, aerokosmik, temir yo'l tranziti kabi ettita strategik yo'nalish |
Yanshan universiteti jamoasi yuqori sifatli uglerod nanotube prekursorlariga tayanib,{0}}"241 GPa qattiqlik" bilan jahon rekordi materialini sintez qilishga muvaffaq bo'ldi. Uglerod materiallarida sanoatning 20 yillik to'planishi bilan Tanfeng New Material bunday ilg'or tadqiqotlar uchun barqaror va ishonchli xom ashyo kafolatini ta'minlaydi.
Xulosa: Qaysi biri qiyin? Javob - Olmos Oddiy sharoitlarda, uglerod nanotubalari bosim ostida
| Davlat | Qattiqroq | Asosiy ma'lumotlar |
|---|---|---|
| Oddiy bosim va harorat | Olmos | Vickers qattiqligi taxminan 100 GPa va CNT kompozit 185 HV |
| High Pressure (>75 GPa) | Uglerod nanotubalari | Ommaviy modul 447 GPa olmosdan oshadi; 241 GPa olmosnikidan to'rt baravar ko'p |
Uglerod nanotubalari va olmos o'rtasidagi qattiqlik haqidagi munozaralar oxir-oqibat - funktsiya "bosim" funksiyasi degan javobni beradi. Uglerod nanotubalariga yetarlicha bosim o‘tkazing va ular olmosdan oshib, “Ultra qattiq materiallar qiroli”ga aylanadi.
Bu uglerod nanotubalarining ajoyib jozibasi: ular nano o'lchamdagi simlarga o'ralish uchun etarlicha "yumshoq" va olmosdan o'tish uchun "qattiq" bo'lishi mumkin. Yanshan universitetining 241 GPa rekordidan tortib, Tanfeng yangi materialining 98% dan yuqori yoki teng tozalikdagi uglerod nanotubalarini barqaror ishlab chiqarishigacha, bu "qattiqlik bahsi" akademik tadqiqotlardan sanoat transformatsiyasiga o'tmoqda.