Связь между углеродными нанотрубками и графеном: «2D-лист» и «1D-трубка» от одной матери
Carbon nanotubes (CNTs) and graphene are essentially the same type of material - both are composed of carbon atoms bonded together by sp² hybridization to form a six-membered ring honeycomb structure. The core relationship between the two is: a carbon nanotube = a seamless cylinder formed by rolling up a graphene sheet. Graphene is an "unrolled sheet" (two-dimensional), while a carbon nanotube is a "rolled-up paper tube" (one-dimensional). In terms of performance, carbon nanotubes have higher axial strength (tensile strength can reach 80 GPa), while graphene has superior in-plane thermal conductivity (approximately 5000 W/m·K). The two can be composite to form a synergistic effect of "1+1>2" - предел прочности пленок из графеновых-интеркалированных углеродных нанотрубок достигает 6,67 ГПа с теплопроводностью 753 Вт/м·К. Компания Shandong Tanfeng New Material поставляет как одностенные-, так и многостенные-углеродные нанотрубки с чистотой продукта более или равной 97,5 %, примесями металлов менее или равными 0,5 ppm, и уже серийно поставлялась ведущим отечественным предприятиям.
1. «кровное родство» между углеродными нанотрубками и графеном: одна мать, одно и то же структурное происхождение.
Заключение:Углеродные нанотрубки и графен — это, по сути, две формы одного и того же материала - графен — это «развернутый лист», а углеродные нанотрубки — это «скрученная- бумажная трубка».
Чтобы понять связь между углеродными нанотрубками и графеном, мы должны сначала посмотреть на их общность на атомном уровне.
Оба состоят из атомов углерода, и атомы углерода расположены одинаково. И в графене, и в углеродных нанотрубках каждый атом углерода связан с тремя соседними атомами углерода гибридными ковалентными связями sp², образуя шестичленную кольцевую сотовую сеть. Это одна из самых стабильных известных химических связей и общий источник превосходных свойств обеих.
Возникает вопрос:Поскольку структуры идентичны, почему одну называют «графеном», а другую — «углеродными нанотрубками»?
Разница заключается в «свернутом» и «не свернутом».
| Сравнительный размер | Графен | Углеродная нанотрубка |
|---|---|---|
| Геометрическая морфология | Двумерный-плоский лист | Одномерный-полый цилиндр |
| Измерение | 2D | 1D |
| Структурные отношения | Базовая форма - "лист бумаги" | Свернутая-графеновая - "бумажная трубочка" |
| Концепция слоя | Однослойный=графен; несколько слоев=нанопластинок графена | Однослойный прокат=SWCNT; многослойный прокат=MWCNT |
Углеродная нанотрубка представляет собой микротрубочку диаметром всего несколько нанометров, образованную путем свертывания одного слоя графита. Другими словами: углеродные нанотрубки — это близкие родственники графена -, у них одни и те же гены, но один вырос в форму листа, а другой — в форму трубки.
2. Сравнение производительности: 1D и. 2D, у каждого есть свои сильные стороны
Заключение:Прочность углеродных нанотрубок заключается в их осевой прочности и одномерной электропроводности; Прочность графена заключается в его -плоской теплопроводности и чрезвычайно большой удельной поверхности.
Хотя материалы имеют одно и то же происхождение, структурная разница между «1D-трубой» и «2D-листом» приводит к существенно разным характеристикам.
2.1 Фундаментальные различия в структуре и производительности
Углеродные-углеродные связи в графене простираются внутри плоскости, что придает ему чрезвычайно высокую прочность, электропроводность и теплопроводность в-плоскостном направлении. Однако слои связаны слабыми силами Ван-дер-Ваальса, что приводит к плохой работе в вертикальном направлении.
Когда углеродная нанотрубка «сворачивает» плоскость графена, превосходные характеристики исходной 2D-плоскости «сходятся» к направлению оси трубки. Это означает, что в осевом направлении углеродные нанотрубки наиболее прочные, проводящие и лучше всего передают тепло.
| Метрика производительности | Углеродная нанотрубка (1D) | Графен (2D) |
|---|---|---|
| Предел прочности | Индивидуальная трубка может достигать 50-200 ГПа. | Примерно 130 ГПа |
| Модуль Юнга | 1-5 ТПа | Примерно 1,1 ТПа |
| Теплопроводность | Примерно 3000 Вт/м·К (осевой) | Примерно 5000 Вт/м·К (в-плоскости) |
| Электрическая проводимость | Металлический/полупроводниковый настраиваемый | Полуметалл с нулевой- запрещенной зоной |
| Удельная площадь поверхности | Высокий | Чрезвычайно высокий (2630 м²/г) |
| Направление проводимости | Одномерный-(осевой) | Двумерное-мерное (в-плоскости) |
2.2 Различные направления применения
Домен углеродных нанотрубок:
Необходимость в одномерных проводящих сетях-(проводящие добавки для литиевых батарей)
Осевое механическое усиление (бронежилеты, элементы конструкций аэрокосмической отрасли)
Одномерный-электронный транспорт (нанотранзисторы)
Домен графена:
Прозрачные проводящие пленки-большой площади (сенсорные экраны)
Эффективное рассеивание тепла в-плоскости (управление температурой чипа)
Адсорбция с чрезвычайно большой удельной поверхностью (суперконденсаторы)
3. "1+1>2": синергетический эффект углеродных нанотрубок + графена
Заключение:Когда углеродные нанотрубки и графен используются вместе, они могут сформировать синергетическую структуру «проводящая сеть + проводящая платформа», достигая производительности, которую невозможно достичь с помощью любого материала в отдельности.
Интересно, что хотя углеродные нанотрубки и графен имеют свои сильные стороны, когда они являются составными, они могут дополнять слабые стороны друг друга и сочетать в себе свои преимущества.
Углеродные нанотрубки можно рассматривать как одномерную -проводящую сеть", - длинную и тонкую, способную переплетаться, как паутина, образуя пути в-трехмерном пространстве. Графен можно рассматривать как двумерную «проводящую платформу» - шириной и плоской поверхностью, способную создавать электронные каналы большой-площади с высокой-скоростью, подобные квадрату.
Два недавних исследования полностью демонстрируют этот синергетический эффект:
Случай 1: Исследование команды профессора Ван Цзяньнуна из Восточно-Китайского университета науки и технологий.
Исследование показало, что интеркалируя листы графена в пленки углеродных нанотрубок, они достигли:
| Метрика производительности | Достигнутое значение |
|---|---|
| Предел прочности | 6,67 ГПа |
| Теплопроводность | 753.23 W/m·K |
| Эффективность электромагнитного экранирования | 35 дБ |
Равномерная интеркаляция графена усилила межфазную передачу нагрузки и электронно-фононную проводимость, благодаря чему композитные пленки превосходят ранее родственные материалы по механическим и транспортным свойствам.
Случай 2: Композитный материал, приготовленный методом смешивания растворов.
Исследования Северного университета Китая показали, что для композитного материала графен/углеродные нанотрубки, полученного методом химического восстановления методом смешивания в растворе-, при оптимальном массовом соотношении (1:1):
| Метрика производительности | Ценить | Улучшение по сравнению с чистым графеном |
|---|---|---|
| Электрическая проводимость | 147.3 S/m | Увеличение на 87,4% |
| Предел прочности | 165,8 МПа | Увеличение на 42,3% |
Анализ механизма:Проводящая 2D-платформа графена и 1D-транспортный канал углеродных нанотрубок дополняют друг друга, обеспечивая одновременное улучшение электрических, тепловых и механических свойств.
4. Углеродные нанотрубки: матрица продуктов нового материала Tanfeng
Заключение:Компания Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. специализируется на исследованиях, разработках и производстве углеродных нанотрубок (УНТ) с продукцией, охватывающей весь спектр одностенных, многостенных, многостенных и функционализированных трубок. Чистота и стабильность партии соответствуют требованиям ведущих производителей аккумуляторов.
В длительной индустриальной гонке, в которой углеродные нанотрубки «тихо растут», компания Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. является растущей силой, которую нельзя игнорировать.
4.1 Матрица основных продуктов
Линейка продуктов Tanfeng New Material охватывает весь спектр углеродных нанотрубок:
| Тип продукта | Основные параметры | Функции |
|---|---|---|
| Много-углеродные нанотрубки со стенками (МУНТ) | Чистота Более или равна 97,5%, Металлические примеси Менее или равны 0,5 ppm | Производство CVD, распределение труб по узкому диаметру, CV партии<5% |
| Одностенная-углеродная нанотрубка (ОУНТ) | Высокая консистенция | Диаметр трубки 1-6 нм, мало дефектов. |
| Функционализированная углеродная нанотрубка | -COOH/-OH настраиваемый | Улучшает диспергируемость |
4.2 Ключевые технические показатели
Основные производственные показатели Tanfeng New Material:
| Параметр | Спецификация |
|---|---|
| Чистота | Больше или равно 97,5% |
| Металлические примеси | Остаток Fe, Co, Ni Менее или равно 0,5 ppm |
| Соотношение сторон | Больше или равно 500:1 |
| Согласованность партии | резюме<5% (coefficient of variation) |
Отраслевые отчеты показывают, что продукция, отвечающая таким высоким стандартам, имеет сильную конкурентоспособность на рынке.
4.3 Прикладные решения
Tanfeng New Material не только поставляет порошок, но и предлагает комплексные решения для его применения:
Случай 1: Проводящая добавка для аккумуляторной батареи
Поставка проводящей пасты второго-поколения из многослойных-углеродных нанотрубок ведущим отечественным производителям аккумуляторов, используемой в сочетании с проводящей углеродной сажей. При сумме добавления 0,8%:
Удельное сопротивление электродного листа снижено на 30%
Повышение температуры при разряде 2C снижено на 5 градусов.
Поставки массового производства осуществляются уже много лет.
Случай 2: Европейские автомобильные антистатические топливные магистрали
Поставка маточной смеси многослойных-углеродных нанотрубок-носителя PA12 европейским поставщикам автомобильных запчастей, отвечающая антистатическим требованиям для топливопроводов PA12.
4.4 Семь стратегических направлений применения
Tanfeng New Material фокусирует индустриализацию углеродных нанотрубок на семи основных направлениях:
| Направление |
|---|
| Новые энергетические транспортные средства |
| Передовые полимерные материалы |
| Эластомеры |
| Аэрокосмическая промышленность |
| Железнодорожный транзит |
| Энергия ветра |
| Хранение водородной энергии |
Компания стремится стать «передовым поставщиком материалов и технических услуг».
5. Тенденции будущего: что победит: углеродные нанотрубки или графен?
Заключение:Эти двое находятся не в конкурентных отношениях «на жизнь-или-смерть», а, скорее, в беспроигрышной схеме «каждый использует свои сильные стороны» и «совместной синергии».
Возвращаясь к вопросу о взаимосвязи углеродных нанотрубок и графена, окончательный ответ может быть не «что лучше», а скорее «что для чего больше подходит».
| Сценарий применения | Больше рекомендуемого материала | Причина |
|---|---|---|
| Проводящая добавка для литиевых батарей | Углеродная нанотрубка | 1D-сеть, проводимость на большие-дальности, уже широко используемая |
| Материал управления температурным режимом чипа | Графен | В-плоскостная теплопроводность 5000 Вт/м·К, выше |
| Гибкая прозрачная проводящая пленка | Тренд является составным | Сеть УНТ + графеновая пленка дополняют друг друга |
| Аэрокосмические структурные компоненты | Армирование углеродными нанотрубками | Явное преимущество в осевой прочности |
| Гибкая литий-ионная-батарея | Совместное использование обоих | CNT в качестве скелета, G в качестве проводящей подложки |
| Электромагнитное экранирование электромагнитных помех | Композитный фильм | Эффективность экранирования 35 дБ, лучшая общая производительность |
На этом пути «скоординированного развития углеродных нанотрубок и графена» выбор Tanfeng New Material очевиден: - сосредоточьтесь на углеродных нанотрубках, полагаясь на свои зрелые возможности индустриализации для предоставления высококачественных-продуктов и решений из углеродных нанотрубок для стратегических отраслей, таких как новая энергетика и аэрокосмическая промышленность.
В то время как академическая дискуссия между углеродными нанотрубками и графеном продолжается, на китайских заводах по производству новых энергетических транспортных средств проводящая паста из углеродных нанотрубок массово «загружается» в машины для нанесения покрытия. На европейских линиях по производству автомобильных деталей маточные смеси углеродных нанотрубок впрыскиваются в формы. Китайские производители, такие как Tanfeng New Material, являются именно движущей силой этой промышленной трансформации «микроскопических материалов, меняющих макроскопический мир».