מה "קשה יותר", ננו-צינוריות פחמן (CNT) או יהלום? התשובה תלויה אם אתה מפעיל עליו לחץ. במונחים של קשיות Mohs, השניים דומים - הקשיות של ננו-צינורות פחמן דומה לזו של יהלום. במונחים של קשיות ויקרס, ננו-צינורות פחמן במצב טבעי (185.1 HV) נמוכים בהרבה מיהלום (בסדר גודל של 10,000 HV). אבל נס מתרחש כאשר ננו-צינורות פחמן דחוסים בקור: הם יכולים ליצור פאזה אולטרה-קשה עם מודול נפח של 447 GPa, כאשר ערך הקשיות עולה מ-185.1 HV המקורי ל-241 GPa (24,100 HV), שהם פי 4 מזה של יהלום גולמי (בערך GPa). המשמעות היא: בתנאים רגילים, היהלום קשה יותר; לאחר טיפול בלחץ גבוה-, ננו-צינוריות פחמן יכולות לעלות על היהלום כדי להפוך ל"מלך החומרים האולטרה-קשים". Shandong Tanfeng New Material מספקת צינורות פחמן עם-טוהר-רב-קירות/חד-קירות-גבוהים, המשמשות כחומר גלם אידיאלי למחקר בעל ביצועים- כה גבוהים.
1. ראשית הגדירו את התקן: שני סוגי "קשיות", שתי תשובות
מַסְקָנָה:מה "קשה יותר", ננו-צינוריות פחמן או יהלום? זה תלוי באיזה סוג של קשיות אתה מודד - קשיות Mohs, קשיות Vickers ומודול נפח לאחר טרנספורמציה של שלב בלחץ גבוה במיוחד- נותנים תשובות שונות לחלוטין.
למונח "קשיות" במדעי החומרים יש לפחות שלוש משמעויות. שיטות מדידה שונות ותנאים שונים נותנים מסקנות שונות לחלוטין:
| סוג קשיות | שיטת מדידה | ערך טיפוסי של יהלום | ערך טיפוסי של ננו-צינורית פחמן |
|---|---|---|---|
| Mohs קשיות | גרדו מינרלים אחד נגד השני | 10 (הכי גבוה) | ניתן להשוות ליהלום |
| קשיות ויקרס (מצב רגיל) | מכנס יהלום לוחץ פנימה | בסדר גודל של 10,000 HV (בערך 100 GPa) | 185.1 HV (חומר מרוכב) |
| קשיות ויקרס (שלב-לחץ גבוה) | נמדד לאחר דחיסה קרה | בערך 100-150 GPa | 241 GPa (חבילות יהלומים שנעשו ננו-זכייה עשויות מ-CNT) |
| מודול בתפזורת | התנגדות לדחיסה | בערך 440-442 GPa | שלב דחוס קר 447 GPa |
ההבדל העיקרי הוא:ערך הקשיות הנמדד של ננו-צינורות פחמן במצבם הטבעי נמוך יחסית (במיוחד בחומרים מרוכבים), אך ברגע שהם נתונים לדחיסה קיצונית, הם הופכים לשלב אולטרה-קשה שהוא קשה יותר מיהלום.
הערה: קשיות ה-Vickers של חומר מורכב מצינורות פחמן (כגון סגסוגת אלומיניום CNT/2024) היא בערך 185 HV. ערך זה משקף את הקשיות הכוללת של המרוכב, לא את הקשיות של ננו-צינורות הפחמן עצמם. מחקר על קשיותן של ננו-צינוריות פחמן בודדות נערך בעיקר בתחום של טרנספורמציה של שלב בלחץ גבוה במיוחד.-
2. עימות במצב רגיל: תיקו קשיות Mohs, יהלום קשיות ויקרס ניצח
מַסְקָנָה:בתנאים "רגילים" (לחץ רגיל, טמפרטורת חדר) שאנו נתקלים בהם בחיי היומיום, היהלום הוא המלך המוחלט של הקשיות. ביצועי הקשיות של ננו-צינורות פחמן תלויים בעיקר במטריצה המרוכבת.
2.1 קשיות מוהס: צוואר וצוואר
מנקודת המבט של "גירוד הדדי", הקשיות של ננו-צינורות פחמן "שווה" לזו של יהלום.
ננו-צינוריות פחמן מורכבות מאטומי פחמן המחוברים בקשרים קוולנטיים sp² היוצרים מבנה טבעת בן שישה-איברים, בעוד שהיהלום מורכב ממסגרת תלת-ממדית של קשרים קוולנטיים sp³. שניהם הם קשרי פחמן- - אחד מהקשרים הכימיים היציבים ביותר בטבע. לכן, כאשר מגרדים אחד את השני, אין לאף אחד יתרון ברור על פני השני.
במונחים של הדיוט:יהלום יכול לשרוט זכוכית, וננו-צינורות פחמן יכולים גם לשרוט זכוכית - בממד הזה, השניים מקשרים.
2.2 קשיות ויקרס: היהלום שולט
קשיות ויקרס נמדדת על ידי לחיצת שקע יהלום לתוך משטח החומר ומדידת עומק השקע. במבחן זה, ננו-צינורות פחמן במצב קונבנציונלי נחותים בהרבה מיהלום:
| חוֹמֶר | קשיות ויקרס |
|---|---|
| יַהֲלוֹם | גודל של כ-100 GPa (10,000 HV) |
| פחמן ננו-צינור/סגסוגת אלומיניום מרוכב | מקסימום כ-185.1 HV לאחר תמיסה מוצקה + טיפול יישון |
ההבדל הוא בערך פי 50.
אבל הנה נקודת מפתח: 185 HV מודד את "ננו-צינורית פחמן + סגסוגת אלומיניום" כל מחקר - המשקף באמת את הקשיות של ננו-צינוריות פחמן עצמן מתבצע באמצעות מערכת אחרת של "לחץ אולטרה- גבוה" במעבדה.
3. רגע ה"טרנספורמציה": הפעל לחץ על ננו-צינוריות פחמן, הם הופכים קשים יותר מיהלום
מַסְקָנָה:כאשר ננו-צינורות פחמן נדחסים בקרה עד מעל ל-75 GPa בקירוב (750,000 אטמוספרות), הם הופכים לשלב פחמן אולטרה-קשה חדש עם מודול נפח העולה על זה של יהלום.
זהו "קלף המנצח" האמיתי של ננו-צינורות פחמן.
3.1 ניסוי דחיסה קרה: 75 GPa מפעיל מעבר פאזה
בשנת 2004, צוות בראשות Zhongwu Wang מאוניברסיטת אריזונה פרסם מחקר ציון דרך ב-PNAS. הם הציבו ננו-צינורות פחמן רב-בקירות בתא סדן יהלום והפעילו אותם בלחץ לכ-100 GPa (כמיליון אטמוספרות). הם גילו שבערך 75 GPa, ננו-צינוריות הפחמן הפכו לשלב פחמן משושה חדש לגמרי.
נתוני מפתח:
| פָּרָמֶטֶר | עֵרֶך |
|---|---|
| מודול בתפזורת | 447 GPa (עם K′=4 קבוע), העולה על כ-440-442 GPa של יהלום |
| צְפִיפוּת | 3.6±0.2 גרם/ס"מ³, דומה ליהלום |
| יכולת השחזור | שלב זה נשמר בסביבת הסביבה לאחר שחרור הלחץ |
מודול נפח הוא אינדיקטור ל"התנגדות לדחיסה" של חומר - ככל שמודול הנפח גבוה יותר, כך קשה יותר לדחוס את החומר בלחץ. שלב הלחץ הגבוה- של ננו-צינוריות פחמן עולה על היהלום במדד זה.
3.2 חבילות יהלומים זכייה בננו: שיא-שובר 241 GPa
בשנת 2021, צוות בראשות פרופסור ג'או ג'ישנג ופרופסור שו בו מאוניברסיטת יאנשאן פרסם מחקר ב-PNAS. תוך שימוש בסרטי ננו-צינורות פחמן מרובי-דפנות כחומר מבשרי, הם סינתזו יהלומים עם צרורות ננו-מכוונים בכיוון מועדף באמצעות טיפול בטמפרטורה גבוהה-בלחץ גבוה-(HPHT).
התוצאות המדהימות ביותר:
| פָּרָמֶטֶר | עֵרֶך |
|---|---|
| קשיות קנופ | עד 241 GPa, יותר מ-20% יותר מהשיא העולמי הקודם |
מה המשמעות של 241 GPa? קשיות Knoop של יהלום גלם (יהלום טבעי) היא בדרך כלל בין 60-100 GPa. משמעות הדבר היא ש"יהלום צרור ננו-זכייה" שהפך מננו-צינוריות פחמן קשה פי 2-4 מיהלום רגיל.
הניסוי גם מצא כי חומר זה מפגין אניזוטרופיה מכנית משמעותית: הקשיות משתנה בהתאם לכיוון של החבילות הננו-זמורות, כאשר הקשיות הגבוהה ביותר מושגת כאשר המכנס מאונך לצרורות התאומים.
4. "התקרה התיאורטית": ננו-צינורות פחמן קוולנטיים תלת-ממדיים-
מַסְקָנָה:חישובים תיאורטיים מנבאים כי קשיות ויקרס של פולימרים מסוימים של ננו-צינורות פחמן קוולנטיים-תלת-ממדיים יכולה להגיע ליותר מ-40 GPa, ונופלת בין בור ניטריד מעוקב ליהלום.
בנוסף לסינתזה ניסויית, מדענים השתמשו-בחישובי עקרונות ראשונים כדי לחזות פולימרים ננו-צינוריים פחמניים קשים שעדיין לא סונתזו.
| שם המבנה | קשיות ויקרס | מאפייני הלהקה |
|---|---|---|
| CNP-oC36 | 40.4 GPA | מוליך למחצה של פער פס עקיף (1.29 eV) |
| CNP-oC40 | 37.1 GPA | מוליך למחצה של פער פס עקיף (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 נחשב בדרך כלל לסף לחומרים קשים במיוחד).
למרות שעדיין בשלב התיאורטי לעת עתה, התחזיות הללו מצביעות על כך שהפוטנציאל של ננו-צינוריות פחמן להפוך למבנים אולטרה-קשים תלת--ממדיים עולה בהרבה על ההבנה הנוכחית.
5. טבלה אחת שצריך להבין: מה "קשה יותר"?
| מבחן מצב / מצב | יַהֲלוֹם | ננו-צינורית פחמן | זוֹכֵה |
|---|---|---|---|
| קשיות Mohs (שריטה) | 10 | ניתן להשוות ליהלום | עֲנִיבָה |
| קשיות ויקרס במצב רגיל | ~100 GPa | 185 HV (חומר מרוכב) | יַהֲלוֹם |
| מודול נפח לאחר דחיסה קרה | ~440 GPa | 447 GPA | ננו-צינורית פחמן |
| קשיות Vickers של שלב-לחץ גבוה | ~100 GPa | 241 GPA | ננו-צינורית פחמן |
התשובה הסופית:
בתנאים רגילים:יהלום "קשה יותר". בבדיקות מצב רגיל, קשיות ה-Vickers של יהלום עולה בהרבה על זו של חומרים מרוכבים של ננו-צינורות פחמן.
תחת לחץ:ננו-צינוריות פחמן "קשות יותר". כאשר ננו-צינורות פחמן נדחסים מעל 75 GPa, הם הופכים לחומר אולטרה-קשה יותר מיהלום - בין אם במונחים של מודול נפח (447 לעומת 440 GPa) או קשיות Vickers (241 לעומת ~100 GPa), הם עולים באופן מקיף על היהלום.
ננו-צינוריות פחמן הן כמו "אל המלחמה" בעולם החומרים - נראים רגילים בתנאים רגילים, אבל ברגע ש"העין השלישית נפתחת" (מופעל לחץ קיצוני), הקשיות שלהם עולה מיידית על היהלום כדי להפוך ל"מלך החומרים האולטרה-קשים".
6. שאנדונג טנפנג חומר חדש: "בסיס חומרי הגלם" של תעשיית ננו-צינוריות הפחמן
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. מספקת -טוהר גבוה (יותר מ-98%) או שווה ל-98%) אבקת ננו-שפופרת פחמן מרובה-דופנות/חד-קירות, המשמשת כחומר גלם אידיאלי למחקר-מתקדם כגון מעברי פאזות-בלחץ גבוה.
בין אם מדובר בשיא של אוניברסיטת יאנשאן-ששבירת מחקר של 241 GPa או מחקר של 75 GPa של שלב המעבר של דחיסה קרה של אוניברסיטת אריזונה, נקודת המוצא של שניהם היא חומרי גלם של ננו-צינורות פחמן באיכות גבוהה-.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd היא בדיוק "כוח המקור" בנתיב הזה מ"חומר גלם לאולטרה-קשה".
| מימד יתרון | חוזק חומר חדש של Tanfeng |
|---|---|
| מטריצת מוצר | מגוון שלם של ננו-צינוריות פחמן חד-דופנות/כפולות-דופנות/מרובות-(SWCNT/DWCNT/MWCNT) |
| טוהר המוצר | גדול או שווה ל-98%, עקביות אצווה טובה |
| תהליכי הכנה | פריקת קשת, אבלציה בלייזר, שקיעת אדים כימית (CVD); שליטה במספר תהליכים |
| פרמטרים מרכזיים | סדרת TF-210 וכו'; גודל חלקיקים 5-15 מיקרומטר |
| מאפיינים מכניים | מודול יאנג תיאורטי עד 5 TPa; חוזק פי 100 מזה של פלדה; משקל 1/6 מזה של פלדה |
| פריסת אפליקציה | שבעה כיוונים אסטרטגיים כולל רכבי אנרגיה חדשים, תעופה וחלל, מעבר רכבת |
צוות אוניברסיטת יאנשאן הצליח לסנתז-חומר שיא בעולם עם "קשיות Knoop של 241 GPa" בהסתמך על מבשרי ננו-צינורות פחמן באיכות גבוהה-. עם 20 שנות הצטברות בתעשייה בחומרי פחמן, Tanfeng New Material מספק הבטחת חומרי גלם יציבה ואמינה למחקר חדשני שכזה.-
מסקנה: מה יותר קשה? תשובה - יהלום בתנאים רגילים, ננו-צינוריות פחמן בלחץ
| מְדִינָה | קשה יותר | נתוני מפתח |
|---|---|---|
| לחץ וטמפרטורה רגילים | יַהֲלוֹם | קשיות Vickers בערך 100 GPa לעומת CNT מרוכב 185 HV |
| High Pressure (>75 GPa) | ננו-צינורות פחמן | מודול התפזורת 447 GPa עולה על היהלום; 241 GPa הוא פי ארבעה מיהלום |
הוויכוח על קשיות בין ננו-צינוריות פחמן ליהלום נותן בסופו של דבר תשובה שהיא פונקציה - פונקציה של "לחץ". הפעילו מספיק לחץ על ננו-צינורות פחמן, והם יעלו על היהלום ויהפכו ל"מלך החומרים האולטרה-קשים".
זהו הקסם האולטימטיבי של ננו-צינורות פחמן: הם יכולים להיות "רכים" מספיק כדי להתכרבל לחוטים ננומטרים ו"קשים" מספיק כדי לעלות על היהלום. מהשיא של 241 GPa של אוניברסיטת Yanshan ועד לתפוקה היציבה של Tanfeng New Material של ננו-צינורות פחמן ברמת טוהר של יותר מ-98% או שווה ל-98%, "ויכוח הקשיות" הזה עובר מחקירה אקדמית לשינוי תעשייתי.