Углеродные нанотрубки являются одними из самых легких известных материалов: их плотность составляет всего 1,3-2,1 г/см³, что намного ниже, чем у стали (7,9 г/см³) и алюминия (2,7 г/см³). Это означает, что при том же объеме вес углеродных нанотрубок составляет всего 1/6 веса стали и 1/2 веса алюминия. Еще более удивительно то, что хотя углеродные нанотрубки легче алюминия, их прочность на разрыв в 100 раз выше, чем у стали - — сочетание «легкости, но прочности», которое крайне редко встречается в природе. Композиты из углеродных нанотрубок уже позволили снизить вес на 40% и повысить эффективность использования топлива на 20-25% в авиационной и автомобильной промышленности. Компания Shandong Tanfeng New Material способствует индустриализации этого суперматериала, «легкого, как перышко, прочного, как сталь».
1. Насколько легки углеродные нанотрубки? Набор цифр расскажет вам
Заключение:Плотность углеродных нанотрубок составляет примерно 1,3-2,1 г/см³, что легче алюминия и лишь 1/6 плотности стали.
Во-первых, давайте посмотрим на достоверные данные. Согласно научной литературе лаборатории Министерства энергетики США, типичная плотность композитов из углеродных нанотрубок (УНТ) составляет 1,3 г/см³. Данные о отечественных продуктах также подтверждают этот порядок величины - истинная плотность некоторых коммерческих продуктов составляет примерно 2 г/см³, а плотность выпуска составляет всего 0,18 г/см³. Подводя итог, можно сказать, что кажущаяся плотность порошка углеродных нанотрубок находится примерно в диапазоне 1,3–2,1 г/см³.
Что означает эта «легкость»? Давайте сравним его с высокоэффективными-металлами, с которыми мы знакомы в повседневной жизни:
| Материал | Плотность (г/см³) | Углеродные нанотрубки против этого материала |
|---|---|---|
| Материал углеродных нанотрубок | 1.3-2.1 | --Базовый уровень-- |
| Алюминий (алюминиевый сплав) | 2.7 | УНТ примерно на 30-50% легче. |
| Титан (титановый сплав) | 4.5 | УНТ примерно на 56-71% легче. |
| Сталь | 7.9 | УНТ примерно на 70-80% легче, т.е. при том же объеме вес УНТ составляет всего от 1/6 до 1/4 веса стали. |
Приведем интуитивно понятный пример: вес обычной ступицы автомобильного колеса, изготовленной из композитного материала из углеродных нанотрубок, может снизиться с более чем 20 цзинь (около 10 кг) до 5-6 цзинь (около 2,5-3 кг). Его можно было легко поднять одной рукой.
2. Почему углеродные нанотрубки такие легкие? Секрет кроется в их «наноразмерной фигуре»
Заключение:Сверх-легкость углеродных нанотрубок обусловлена их уникальной микроструктурой - атомы углерода расположены в виде шестиугольных сот, образуя круг, образуя полую «нанотрубку», внутренняя часть которой почти полностью пуста.
Углеродная нанотрубка — это, по сути, «трубка», причём трубка на наноуровне.
Его микроструктура такова: атомы углерода соединяются друг с другом ковалентными связями, образуя устойчивый шестичленный кольцевой лист графена, а затем этот лист графена «сворачивается» в цилиндр. Этот цилиндр полый - внутри нет атомов, только воздух или вакуум. При прокатке одного слоя создается одно-углеродная нанотрубка (ОУНТ); прокатка нескольких слоев создает многостенную углеродную нанотрубку (МУНТ) с межслоевым расстоянием около 0,34 нм.
Ключ к измерению веса материала: Плотность=Масса/Объем.
Металлы полны атомов, плотно упакованы, поэтому они тяжелые. Оболочка углеродной нанотрубки состоит из атомов углерода (атомы углерода намного легче атомов железа или алюминия), внутренняя часть пуста, а оболочка очень тонкая -, поэтому в единице объема содержится очень мало материала, поэтому она, естественно, легкая.
Если провести аналогию с кухней:Металлический шпатель прочный и тяжелый; Полая соломинка для питья легкая, потому что у нее только тонкая стенка на поверхности. Углеродная нанотрубка — это молекулярная версия «полой соломинки для питья».
3. Поистине удивительная вещь — это не «легкость», а «легкая, но прочная» комбинация.
Заключение:Удельная прочность углеродных нанотрубок достигает 500 МПа·см³/г, что намного превышает прочность традиционных металлов, таких как сталь, алюминий и титан, что делает их одними из самых высоких среди известных конструкционных материалов.
Если бы он был только «легкий», то не был бы особенным - пенопласт тоже очень легкий, но легко мнётся. Что действительно делает углеродные нанотрубки удивительными, так это то, что они легкие, как воздух, но при этом невероятно прочные.
Как мы подробно анализировали в предыдущей статье: предел прочности углеродных нанотрубок может достигать 50-200 ГПа, что в 100 раз превышает прочность стали. Когда эти данные умножаются на измерение «легкость», мы получаем метрику, которая сводит с ума инженеров – удельную прочность (прочность ÷ плотность).
Взгляните на этот набор сравнительных данных:
| Материал | Плотность (г/см³) | Предел прочности (МПа) | Удельная прочность (МПа·см³/г) |
|---|---|---|---|
| Композит из углеродных нанотрубок | 1.3 | ~650 | 500 |
| Алюминий (7075-T6) | 2.7 | 572 | 212 |
| Титан (Ти-6Ал-4В) | 4.5 | 950 | 211 |
| Сталь (А36) | 7.9 | 400 | 51 |
Чем выше удельная прочность, тем выше несущая способность-при заданном весе. Удельная прочность углеродных нанотрубок (500) почти в 10 раз превышает прочность стали (51). - канат из углеродных нанотрубок того же веса может выдерживать почти в 10 раз большую нагрузку, чем стальной канат.
Именно поэтому ученые предполагают использовать углеродные нанотрубки для создания космического лифта -, потому что только материал, «легкий, как перышко, прочный, как сталь», может создать кабель, протянувшийся от Земли в космос.
4. Промышленная революция, вызванная «легкостью»: снижение веса на 40 %, экономия топлива на 25 %.
Заключение:Композиты из углеродных нанотрубок уже достигли эффекта снижения веса до 40% в аэрокосмической и автомобильной промышленности, что напрямую приводит к повышению эффективности использования топлива на 20-25%.
«Легкость» — это не просто игра с числами; это ощутимо меняет индустриальный ландшафт.
Согласно обзорной статье в международном академическом журналеМатериаловедение и инженерия: RКомпозиты из углеродных нанотрубок продемонстрировали большой потенциал в авиационной и автомобильной промышленности: вес конструктивных элементов можно снизить до 40%, сохранив или даже улучшив механические свойства.
Давайте рассмотрим примеры реальных-приложений:
| Случай применения | Роль композита из углеродных нанотрубок | Фактический эффект |
|---|---|---|
| Боинг 787 Дримлайнер | Конструктивные элементы фюзеляжа | Улучшение топливной эффективности на 20–25 %. |
| Электромобиль BMW i3 | Кузовные панели | Снижение веса на 30% |
| KIST Carbon Nanotube Motor (Корея) | Катушки обмотки двигателя | Снижение веса двигателя примерно на 25 %. |
Особо стоит упомянуть случай с Боингом 787. В этом «Лайнере мечты» широко используются современные композитные материалы (в том числе материалы, армированные углеродными нанотрубками-), что не только обеспечивает значительное снижение веса, но и позволяет этому большому авиалайнеру экономить более 20 % топлива по сравнению с аналогичными моделями. Корейский институт науки и технологий (KIST) даже пошел еще дальше и построил двигатель без каких-либо металлических катушек, - заменив медную проволоку проволокой из углеродных нанотрубок, в результате чего вес двигателя составил лишь одну-пятую веса медного двигателя.
Для самолета:Экономия топлива=летит дальше + более низкие цены на билеты + сокращение выбросов углекислого газа.
Для электромобиля:Снижение веса =: больший радиус действия + более быстрое ускорение + меньшая батарея.
Легкость — золото; легкость – это конкурентоспособность.
5. Новый материал Shandong Tanfeng: превращение «легкости» в покупные продукты
Компания Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. занимается массовым-производством и производством "сверх-легких" углеродных нанотрубок для обслуживания высокотехнологичных-отраслей обрабатывающей промышленности, таких как аэрокосмическая промышленность и транспортные средства на новых источниках энергии.
Чтобы превратить углеродные нанотрубки из «чудо-материала» в лаборатории в промышленное сырье, которое инженеры могут заказать, требуются компании, которые действительно владеют технологиями крупномасштабного-производства.
Шаньдунская компания Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. является именно такой компанией.
Что он делает?
Компания специализируется на исследованиях, разработках и производстве много-углеродных нанотрубок (МУНТ), одно-углеродных нанотрубок (ОУНТ), функционализированных углеродных нанотрубок, проводящих паст и предварительно-диспергированных продуктов. Чистота продукта больше или равна 97,5 %, остаточные примеси катализаторов Fe, Co и Ni меньше или равны 0,5 ppm, распределение труб по диаметру узкое, а CV консистенции от -до-партии составляет<5%.
Его основные компетенции:
| Размер преимущества | Конкретный контент |
|---|---|
| Основной процесс | Производство газовой-фазы (CVD); контролируемый диаметр трубы, стабильность партий |
| Матрица продуктов | Полное покрытие одностенных-/многостенных-стенок; настраиваемая функциональность (-COOH, -OH и т. д.) |
| Рекомендации по применению | Семь основных областей, включая транспортные средства на новой энергии, аэрокосмическую промышленность, железнодорожный транспорт, ветроэнергетику, хранение водородной энергии. |
| Уникальная возможность | Вся цепочка независимо контролируется от катализатора до конечного продукта. |
| Доказанные результаты | Поставляет проводящую пасту ведущим отечественным производителям аккумуляторов, уже добившись снижения удельного сопротивления электродного листа на 30%. |
Компания Tanfeng New Material также поставляет маточные смеси из многослойных-углеродных нанотрубок-носителей PA12 европейским поставщикам автомобильных запчастей, отвечающие строгим анти-требованиям к топливопроводам. Когда таким компаниям, как BMW и Boeing, нужны высокоэффективные легкие материалы, углеродные нанотрубки превращаются из концепции отдаленной лаборатории в осязаемые продукты на полках китайских компаний, таких как Tanfeng.
Резюме: Что означает «легкость» углеродных нанотрубок?
| Перспектива | Основной вывод |
|---|---|
| Данные | Плотность 1,3-2,1 г/см³, всего 1/6 плотности стали, легче алюминия. |
| Принцип | Структура «полая нанотрубка», тонко-стенная и полая внутри, естественно легкая. |
| Производительность | Удельная прочность 500 МПа·см³/г, что почти в 10 раз выше, чем у стали, легкий, но прочный. |
| Промышленность | Обеспечивает снижение веса на 40 % и экономию топлива на 25 %; уже проверено на Боинге 787 и BMW i3 |
| Реальность | Такие компании, как Shandong Tanfeng New Material, массово-производят его для промышленного использования. |
«Легкость» углеродных нанотрубок никогда не была просто показателем низкой-плотности. Речь идет о переносе наибольшей нагрузки при наименьшей массе, достижении максимальной производительности с наименьшим количеством материала и достижении максимальной эффективности с использованием самых легких компонентов.
Когда Shandong Tanfeng New Material постоянно «выдувает» этот черный порошок со своего завода -, который легче воздуха (в выпускном состоянии), но прочнее стали -, это сигнализирует о том, что «эра легких материалов» действительно наступила.