أيهما أصعب، أنابيب الكربون النانوية أم الماس؟

ما هو "الأصعب" أنابيب الكربون النانوية (CNTs) أم الماس؟ الجواب يعتمد على ما إذا كنت تمارس الضغط عليه. من حيث صلابة موس، فإن الاثنين متشابهان - صلابة أنابيب الكربون النانوية مماثلة لصلابة الماس. من حيث صلابة فيكرز، فإن أنابيب الكربون النانوية ذات الحالة الطبيعية (185.1 فولت) أقل بكثير من الماس (في حدود 10000 فولت). لكن المعجزة تحدث عندما يتم ضغط أنابيب الكربون النانوية على البارد: يمكنها تشكيل مرحلة فائقة الصلابة بمعامل حجمي يبلغ 447 جيجا باسكال، مع ارتفاع قيمة الصلابة من 185.1 جيجا باسكال الأصلي إلى 241 جيجا باسكال (24100 جيجا باسكال)، وهو ما يعادل 4 أضعاف قيمة الماس الخام (حوالي 60 جيجا باسكال). وهذا يعني: في الظروف العادية، يكون الماس أصلب؛ وبعد المعالجة بالضغط العالي، يمكن لأنابيب الكربون النانوية أن تتفوق على الماس لتصبح "ملك المواد فائقة الصلابة". توفر شركة Shandong Tanfeng New Material أنابيب نانوية كربونية-متعددة الجدران/أحادية الجدران-عالية النقاء، وتعمل كمواد خام مثالية لمثل هذه الأبحاث عالية الأداء-.

1. حدد المعيار أولاً: نوعان من "الصلابة"، إجابتان

خاتمة:ما هو "الأصعب" أنابيب الكربون النانوية أم الماس؟ يعتمد ذلك على نوع الصلابة الذي تقيسه - صلابة موس، وصلابة فيكرز، ومعامل الكتلة بعد تحويل طور الضغط العالي الفائق- تعطي إجابات مختلفة تمامًا.

مصطلح "الصلابة" في علم المواد له ثلاثة معانٍ على الأقل. طرق القياس المختلفة والظروف المختلفة تعطي استنتاجات مختلفة تمامًا:

الفرق الرئيسي هو:إن قيمة الصلابة المقاسة لأنابيب الكربون النانوية في حالتها الطبيعية منخفضة نسبيًا (خاصة في المواد المركبة)، ولكن بمجرد تعرضها لضغط شديد، فإنها تتحول إلى مرحلة فائقة الصلابة أكثر صلابة من الماس.

ملاحظة: تبلغ صلابة فيكرز لمادة مركبة من أنابيب الكربون النانوية (مثل سبائك الألومنيوم CNT/2024) حوالي 185 فولت. وتعكس هذه القيمة الصلابة الإجمالية للمركب، وليس صلابة أنابيب الكربون النانوية نفسها. يتم إجراء الأبحاث حول صلابة أنابيب الكربون النانوية الفردية بشكل أساسي في مجال تحويل طور الضغط العالي جدًا-.

2. مواجهة الحالة الطبيعية: تعادل صلابة موهس، فوز فيكرز صلابة الماس

خاتمة:في ظل الظروف "العادية" (الضغط الطبيعي، ودرجة حرارة الغرفة) التي نواجهها في حياتنا اليومية، يعتبر الماس هو ملك الصلابة المطلق. يعتمد أداء صلابة أنابيب الكربون النانوية بشكل أساسي على المصفوفة المركبة.

2.1 صلابة موس: الرقبة والرقبة

ومن منظور "الخدش المتبادل"، فإن صلابة أنابيب الكربون النانوية "قابلة للمقارنة" بصلابة الماس.

تتكون الأنابيب النانوية الكربونية من ذرات الكربون المرتبطة بروابط تساهمية sp² لتشكل بنية حلقية مكونة من ستة-أعضاء، بينما يتكون الماس من إطار ثلاثي الأبعاد-من روابط تساهمية sp³. كلاهما كربون-روابط كربون - وهي إحدى الروابط الكيميائية الأكثر استقرارًا في الطبيعة. لذلك، عند خدش بعضهما البعض، لا يتمتع أي منهما بميزة واضحة على الآخر.

في شروط الشخص العادي:يمكن للماس أن يخدش الزجاج، ويمكن لأنابيب الكربون النانوية أيضًا أن تخدش الزجاج - على هذا البعد، التعادل بين الاثنين.

2.2 صلابة فيكرز: يهيمن الماس

يتم قياس صلابة فيكرز بالضغط على مسافة بادئة للماس على سطح المادة وقياس عمق المسافة البادئة. في هذا الاختبار، تكون الأنابيب النانوية الكربونية التقليدية أدنى بكثير من الماس:

الفرق حوالي 50 ضعفا.

ولكن هنا نقطة أساسية: 185 HV يقيس "أنابيب الكربون النانوية + سبائك الألومنيوم" - بحث كامل يعكس حقًا صلابة أنابيب الكربون النانوية نفسها ويتم إجراؤه باستخدام نظام "فائق{3}}عالي الضغط" آخر في المختبر.

3. لحظة "التحول": مارس الضغط على أنابيب الكربون النانوية، فتصبح أصلب من الماس

خاتمة:عندما يتم ضغط أنابيب الكربون النانوية على البارد إلى ما يزيد عن 75 جيجا باسكال تقريبًا (750.000 ضغط جوي)، فإنها تتحول إلى طور كربون جديد فائق الصلابة بمعامل حجم يتجاوز معامل الكتلة للماس.

هذه هي "البطاقة الرابحة" الحقيقية لأنابيب الكربون النانوية.

3.1 تجربة الضغط البارد: 75 GPa تؤدي إلى المرحلة الانتقالية

في عام 2004، نشر فريق بقيادة تشونغ وو وانغ في جامعة أريزونا دراسة تاريخية فيبناس. لقد وضعوا أنابيب كربونية نانوية متعددة الجدران-في خلية سندانية ماسية وقاموا بضغطها إلى ما يقرب من 100 جيجا باسكال (حوالي مليون ضغط جوي). ووجدوا أنه عند حوالي 75 جيجا باسكال، تحولت أنابيب الكربون النانوية إلى مرحلة كربون سداسية جديدة تمامًا.

البيانات الرئيسية:

معامل الحجم هو مؤشر على "مقاومة المادة للضغط" - كلما ارتفع معامل الحجم، زادت صعوبة ضغط المادة تحت الضغط. تتجاوز مرحلة الضغط العالي- لأنابيب الكربون النانوية الماس في هذا المؤشر.

3.2 الحزم الماسية النانوية: الرقم القياسي-كسر 241 جيجا باسكال

في عام 2021، نشر فريق بقيادة البروفيسور تشاو تشيشينغ والبروفيسور شو بو في جامعة يانشان بحثًا فيبناس. باستخدام أفلام الأنابيب الكربونية النانوية متعددة الجدران عالية التوجيه كسلائف، قاموا بتصنيع الماس باستخدام حزم نانوية نانوية موجهة بشكل تفضيلي من خلال معالجة -درجة حرارة عالية-عالية الضغط (HPHT).

النتائج الأكثر إثارة للدهشة:

ماذا يعني 241 جيجا باسكال؟ تتراوح صلابة نوب للماس الخام (الماس الطبيعي) عادةً بين 60-100 جيجا باسكال. وهذا يعني أن "حزمة الألماس التوأمية النانوية" المتحولة من أنابيب الكربون النانوية تكون أصلب مرتين إلى أربع مرات من الألماس العادي.

وجدت التجربة أيضًا أن هذه المادة تظهر تباينًا ميكانيكيًا كبيرًا: تختلف الصلابة اعتمادًا على اتجاه الحزم المزدوجة النانوية، مع تحقيق أعلى صلابة عندما تكون المسافة البادئة متعامدة مع الحزم المزدوجة.

4. "السقف النظري": ثلاثة-أنابيب نانوية كربونية تساهمية الأبعاد

خاتمة:تتنبأ الحسابات النظرية بأن صلابة فيكرز لبعض بوليمرات أنابيب الكربون النانوية التساهمية ثلاثية الأبعاد يمكن أن تصل إلى أكثر من 40 جيجا باسكال، وتقع بين نيتريد البورون المكعب والماس.

بالإضافة إلى التوليف التجريبي، استخدم العلماء -حسابات المبادئ الأولى للتنبؤ ببوليمرات أنابيب الكربون النانوية فائقة الصلابة والتي لم يتم تصنيعها بعد.

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 (>يعتبر 40 GPa بشكل عام عتبة المواد فائقة الصلابة).

على الرغم من أنها لا تزال في المرحلة النظرية في الوقت الحالي، إلا أن هذه التوقعات تشير إلى أن إمكانية تحول أنابيب الكربون النانوية إلى هياكل ثلاثية الأبعاد شديدة الصلابة -تتجاوز الفهم الحالي بكثير.

5. جدول واحد يجب فهمه: أيهما "الأصعب"؟

الجواب النهائي:

في ظل الظروف العادية:الماس "أصعب". في اختبارات الحالة الطبيعية، تتجاوز صلابة فيكرز للماس بكثير صلابة المواد المركبة من أنابيب الكربون النانوية.

تحت الضغط:أنابيب الكربون النانوية "أصعب". عندما يتم ضغط أنابيب الكربون النانوية بدرجة أعلى من 75 جيجا باسكال، فإنها تتحول إلى مادة شديدة الصلابة أصعب من الماس - سواء من حيث المعامل الحجمي (447 مقابل 440 جيجا باسكال) أو صلابة فيكرز (241 مقابل ~100 جيجا باسكال)، فهي تتفوق بشكل شامل على الماس.

تشبه الأنابيب النانوية الكربونية "إله الحرب" في عالم المواد - حيث تبدو عادية في ظل الظروف العادية، ولكن بمجرد "فتح العين الثالثة" (يتم تطبيق ضغط شديد)، تتفوق صلابتها على الفور على الماس لتصبح "ملك المواد فائقة الصلابة".

6. شاندونغ Tanfeng مادة جديدة: "قاعدة المواد الخام" لصناعة أنابيب الكربون النانوية

توفر شركة Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd.-نقاوة عالية (أكبر من أو تساوي 98%) مسحوق أنابيب الكربون النانوية متعدد الجدران/أحادي- الجدران، وهو بمثابة مادة خام مثالية لأبحاث القطع- مثل انتقالات طور الضغط العالي-.

سواء أكان الأمر يتعلق بأبحاث جامعة يانشان التي حطمت الرقم القياسي 241 GPa أو بحث جامعة أريزونا الذي حقق 75 GPa للانتقال إلى مرحلة الضغط البارد، فإن نقطة البداية لكليهما هي-المواد الخام لأنابيب الكربون النانوية عالية الجودة.

إن شركة Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. هي على وجه التحديد "مصدر الطاقة" في هذا المسار من "المواد الخام إلى المواد فائقة الصلابة".

تمكن فريق جامعة يانشان من تصنيع المادة القياسية-العالمية باستخدام "صلابة نوب التي تبلغ 241 جيجا باسكال" بالاعتماد على سلائف أنابيب الكربون النانوية عالية الجودة. مع 20 عامًا من تراكم صناعة المواد الكربونية، توفر Tanfeng New Material ضمانًا مستقرًا وموثوقًا للمواد الخام لمثل هذه -الأبحاث المتطورة.

الخلاصة: أيهما أصعب؟ الإجابة - الماس في الظروف العادية، وأنابيب الكربون النانوية تحت الضغط

إن الجدل الدائر حول الصلابة بين أنابيب الكربون النانوية والماس يعطي في نهاية المطاف إجابة مفادها أن دالة - دالة "الضغط". بممارسة ما يكفي من الضغط على أنابيب الكربون النانوية، فإنها سوف تتفوق على الماس لتصبح "ملك المواد فائقة الصلابة".

هذا هو السحر المطلق لأنابيب الكربون النانوية: يمكن أن تكون "لينة" بما يكفي للالتفاف إلى أسلاك نانوية و"صعبة" بما يكفي لتتفوق على الماس. من سجل جامعة يانشان البالغ 241 GPa إلى الإنتاج المستقر لشركة Tanfeng New Material لأنابيب الكربون النانوية بنسبة نقاء أكبر من أو تساوي 98%، ينتقل "نقاش الصلابة" هذا من الاستكشاف الأكاديمي إلى التحول الصناعي.