כמה קלות ננו-צינורות פחמן?

ננו-צינורות פחמן הם מהחומרים הקלים ביותר הידועים, עם צפיפות של 1.3-2.1 גרם/ס"מ³ בלבד, נמוכה בהרבה מזו של פלדה (7.9 גרם/ס"מ³) ואלומיניום (2.7 גרם/ס"מ³). המשמעות היא שעבור אותו נפח, המשקל של ננו-צינורות פחמן הוא רק 1/6 מזה של פלדה ו-1/2 מזה של אלומיניום. אפילו יותר מדהים, למרות שצינורות פחמן קלות יותר מאלומיניום, חוזק המתיחה שלהן הוא פי 100 מזה של פלדה - שילוב של "קל אך חזק" שהוא נדיר ביותר בטבע. חומרים מרוכבים של ננו-צינורות פחמן כבר השיגו הפחתת משקל של 40% ושיפור של 20-25% ביעילות הדלק בתעשיות התעופה והרכב. חומר חדש של שאנדונג טנפנג מקדם את התיעוש של חומר העל הזה "קל כנוצה, חזק כמו פלדה".

1. כמה קלות ננו-צינוריות פחמן? סט של מספרים אומר לך

מַסְקָנָה:הצפיפות של ננו-צינורות פחמן היא בערך 1.3-2.1 גרם/ס"מ³, שהוא קל יותר מאלומיניום ורק 1/6 מזה של פלדה.

ראשית, בואו נסתכל על הנתונים הקשים. על פי ספרות אקדמית ממעבדה תחת משרד האנרגיה האמריקני, הצפיפות האופיינית של חומרים מרוכבים של ננו-צינוריות פחמן (CNT) היא 1.3 גרם/סמ"ק. נתוני מוצרים מקומיים גם מאשרים את סדר הגודל הזה -, הצפיפות האמיתית של חלק מהמוצרים המסחריים היא בערך 2 גרם/ס"מ³, עם צפיפות ברז של 0.18 גרם\\ס"מ³ בלבד. לסיכום, הצפיפות הנראית לעין של אבקת ננו-צינורות פחמן נופלת בערך בטווח של 1.3-2.1 גרם/ס"מ³.

מה פירוש ה"קלילות" הזו? הבה נשווה את זה למתכות-בעלות ביצועים גבוהים שאנו מכירים בחיי היומיום:

כדי לתת דוגמה אינטואיטיבית: רכזת גלגלים רגילה של מכונית, אם היא עשויה מחומר מרוכב של ננו-צינורות פחמן, עשויה לראות את משקלה יורדת מ-20 ג'ין (כ-10 ק"ג) ל-5-6 ג'ין (כ-2.5-3 ק"ג). אתה יכול בקלות להרים אותו ביד אחת.

2. מדוע ננו-צינוריות פחמן כל כך קלות? הסוד טמון ב"דמות הננומטרית" שלהם

מַסְקָנָה:המאפיין האולטרה -אור של ננו-צינוריות פחמן מקורו במיקרו-מבנה הייחודי שלהן - אטומי פחמן מסודרים בתבנית של חלת דבש משושה, ויוצרים עיגול ליצירת "צינור בקנה מידה ננו" חלול, כאשר החלק הפנימי ריק כמעט לחלוטין.

ננו-שפופרת פחמן היא בעצם "צינור", וצינור בקנה מידה ננו.

מבנה המיקרו שלו הוא כדלקמן: אטומי פחמן מחוברים זה לזה באמצעות קשרים קוולנטיים, ויוצרים יריעת גרפן טבעתית יציבה של שישה-, ואז יריעת הגרפן הזו "מתגלגלת" לגליל. הגליל הזה חלול - אין אטומים בפנים, רק אוויר או ואקום. גלגול שכבה אחת יוצר ננו-צינורית פחמן- יחידה (SWCNT); גלגול של שכבות מרובות יוצר ננו-צינור פחמן רב-דפנות (MWCNT), עם מרווח בין-שכבות של כ-0.34 ננומטר.

המפתח למדידת משקל של חומר: צפיפות=מסה / נפח

מתכות מלאות באטומים, ארוזות בצפיפות, ולכן הן כבדות. המעטפת של ננו-צינורית פחמן מורכבת מאטומי פחמן (אטומי פחמן קלים בהרבה מאטומי ברזל או אלומיניום), החלק הפנימי ריק, והקליפה דקה במיוחד - ולכן, יש מעט מאוד חומר הכלול ליחידת נפח, ולכן הוא קל באופן טבעי.

שימוש באנלוגיה למטבח:מרית מתכת היא מוצקה וכבדה; קשית שתייה חלולה היא קלה כי יש לה רק דופן דקה על פני השטח. ננו-צינורית פחמן היא הגרסה המולקולרית של "קשית שתייה חלולה".

3. הדבר המדהים באמת הוא לא ה"קלילות", אלא השילוב של "אור אך חזק"

מַסְקָנָה:החוזק הספציפי של ננו-צינוריות פחמן מגיע עד ל-500 MPa·cm³/g, הרבה מעבר לזה של מתכות מסורתיות כגון פלדה, אלומיניום וטיטניום, מה שהופך אותו לאחד מהגבוהים ביותר מבין החומרים ההנדסיים הידועים.

אם זה היה רק ​​"קל", זה לא היה מיוחד - פלסטיק קצף הוא גם קל מאוד, אבל הוא נמעך בקלות. מה שבאמת הופך את ננו-צינורות הפחמן למדהימים הוא שבעוד שהם קלים כמו אוויר, הם גם חזקים להפליא.

כפי שניתחנו בפירוט במאמר הקודם: חוזק המתיחה של ננו-צינורות פחמן יכול להגיע ל-50-200 GPa, שהם פי 100 מזה של פלדה. כאשר נתונים אלו מוכפלים בממד ה"קלילות", אנו מקבלים מדד שמשגע את המהנדסים - חוזק ספציפי (חוזק ÷ צפיפות).

תסתכל על סט נתונים השוואתיים:

ככל שהחוזק הספציפי גבוה יותר, כושר נשיאת העומס- גדול יותר עבור משקל נתון. החוזק הספציפי של ננו-צינורות פחמן (500) הוא כמעט פי 10 מזה של פלדה (51) - חבל העשוי מננו-צינוריות פחמן באותו משקל יכול לשאת כמעט פי 10 מהעומס של חבל פלדה.

זו הסיבה שמדענים מדמיינים שימוש בצינורות פחמן לבניית מעלית חלל - מכיוון שרק חומר שהוא "קל כמו נוצה, חזק כמו פלדה" יכול ליצור כבל הנמתח מכדור הארץ לחלל.

4. המהפכה התעשייתית שהביאה "קלילות": הפחתת משקל של 40%, חיסכון של 25% בדלק

מַסְקָנָה:חומרים מרוכבים של ננו-צינורות פחמן כבר השיגו השפעות הפחתת משקל של עד 40% בתעשיות התעופה והרכב, המתורגמות ישירות לשיפור של 20-25% ביעילות הדלק.

"קלילות" הוא לא רק משחק מספרים; זה משנה באופן מוחשי את הנוף התעשייתי.

על פי מאמר סקירה בכתב העת האקדמי הבינלאומימדע והנדסת חומרים: ר, חומרים מרוכבים של ננו-צינורות פחמן הוכיחו פוטנציאל רב בתעשיות התעופה והרכב: ניתן להפחית את משקלם של רכיבים מבניים בעד 40%, תוך שמירה או אפילו שיפור של תכונות מכניות.

הבה נסתכל על דוגמאות של יישומים-במציאות:

המקרה של בואינג 787 ראוי להזכיר במיוחד. "Dreamliner" זה עושה שימוש נרחב בחומרים מרוכבים מתקדמים (כולל חומרים מחוזקים בצינורות פחמן-), לא רק משיג הפחתת משקל משמעותית אלא גם מאפשר למטוס הנוסעים הגדול הזה לחסוך למעלה מ-20% בדלק בהשוואה לדגמים דומים. המכון למדע וטכנולוגיה של קוריאה (KIST) אפילו הלך צעד קדימה ובנה ישירות מנוע ללא סלילי מתכת - והחליף את חוט הנחושת בחוט ננו-צינורות פחמן, והביא למשקל המנוע רק -חמישית ממשקלו של מנוע נחושת.

עבור מטוס:חיסכון בדלק=טס רחוק יותר + מחירי כרטיסים נמוכים יותר + פליטת פחמן מופחתת.

לרכב חשמלי:הפחתת משקל=טווח ארוך יותר + האצה מהירה יותר + סוללה קטנה יותר.

קלילות היא זהב; קלילות היא תחרותיות.

5. שאנדונג טנפנג חומר חדש: הפיכת "קלילות" למוצרים לרכישה

Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. מייצרת-המונית ומייצרת את המאפיינים ה"אולטרה-קלים" של ננו-צינוריות פחמן, ומשרתת תעשיות ייצור-תיכוניות כגון תעופה וחלל ורכבי אנרגיה חדשים.

הפיכת ננו-צינורות פחמן מ"חומר פלא" במעבדה לחומר גלם תעשייתי שמהנדסים יכולים להזמין מחייבת חברות השולטות באמת בטכנולוגיית ייצור בקנה מידה גדול.-

Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. היא בדיוק חברה כזו.

מה זה עושה?

החברה מתמקדת במחקר ופיתוח ובייצור של ננו-צינוריות פחמן מרובות-(MWCNT), ננו-צינוריות פחמן חד-דופנות (SWCNT), ננו-צינוריות פחמן מתפקדות, משחות מוליכות ומוצרים- מפוזרים מראש. טוהר המוצר גדול מ-97.5% או שווה ל-97.5%, זיהומים שיוריים של זרזי Fe, Co ו-Ni הם פחות או שווה ל-0.5 ppm, התפלגות קוטר הצינורית צרה, ועקביות אצווה-ל-אצווה היא<5%.

כישורי הליבה שלה:

Tanfeng New Material מספקת גם חבילות ננו-צינורות פחמן מרובות-דפנות נושאת PA12 לספקי חלקי רכב באירופה, העומדות בדרישות האנטי- המחמירות של קווי דלק. כאשר חברות כמו BMW ובואינג זקוקות לחומרים קלים-בעלי ביצועים גבוהים, ננו-צינוריות פחמן הופכות ממושג מעבדה רחוק למוצרים מוחשיים על המדפים של חברות סיניות כמו Tanfeng.

תקציר: מה המשמעות של "הקלילות" של ננו-צינוריות פחמן?

ה"קלילות" של ננו-צינוריות פחמן מעולם לא הייתה רק מספר פשוט- בצפיפות נמוכה. מדובר על נשיאת העומס הגדול ביותר עם המסה הקטנה ביותר, השגת הביצועים החזקים ביותר עם הכי פחות חומר, ויצירת היעילות הגבוהה ביותר עם הרכיבים הקלים ביותר.

כאשר Shandong Tanfeng New Material "נושבת" ללא הרף את האבקה השחורה הזו מהאבקה - של המפעל שלה שהיא קלה יותר מאוויר (במצב הנקז שלה) ועם זאת חזקה יותר מפלדה -, זה מאותת ש"העידן הקל משקל" של עולם החומרים באמת הגיע.