Hvor lette er kulstofnanorør?

Kulstofnanorør er blandt de letteste kendte materialer med en densitet på kun 1,3-2,1 g/cm³, langt lavere end stål (7,9 g/cm³) og aluminium (2,7 g/cm³). Det betyder, at for samme volumen er vægten af ​​kulstofnanorør kun 1/6 af stål og 1/2 af aluminium. Endnu mere forbløffende, selvom kulstofnanorør er lettere end aluminium, er deres trækstyrke 100 gange højere end stål - en kombination af "lette, men stærke", som er ekstremt sjælden i naturen. Carbon nanorør-kompositter har allerede opnået en vægtreduktion på 40 % og en forbedring på 20-25 % i brændstofeffektivitet i luftfarts- og bilindustrien. Shandong Tanfeng New Material fremmer industrialiseringen af ​​dette "let som en fjer, stærk som stål" super-materiale.

1. Hvor lette er kulstofnanorør? Et sæt tal fortæller dig

Konklusion:Densiteten af ​​kulstofnanorør er cirka 1,3-2,1 g/cm³, hvilket er lettere end aluminium og kun 1/6 af stål.

Lad os først se på de hårde data. Ifølge akademisk litteratur fra et laboratorium under det amerikanske energiministerium er den typiske tæthed af carbon nanorør (CNT) kompositter 1,3 g/cm³. Indenlandske produktdata bekræfter også denne størrelsesorden - den sande massefylde af nogle kommercielle produkter er ca. 2 g/cm³, med en tapdensitet på kun 0,18 g/cm³. For at opsummere falder den tilsyneladende tæthed af kulstofnanorørspulver groft i området 1,3-2,1 g/cm³.

Hvad betyder denne "lethed"? Lad os sammenligne det med højtydende-metaller, vi kender i dagligdagen:

For at give et intuitivt eksempel: Et almindeligt bilhjulnav, hvis det er lavet af kulstof-nanorør-kompositmateriale, vil muligvis se sin vægt falde fra over 20 jin (ca. 10 kg) til 5-6 jin (ca. 2,5-3 kg). Du kan nemt løfte den med én hånd.

2. Hvorfor er kulstofnanorør så lette? Hemmeligheden ligger i deres "nanoskala figur"

Konklusion:Kulstofnanorørets ultra-lette karakteristika stammer fra deres unikke mikrostruktur - kulstofatomer er arrangeret i et sekskantet bikagemønster, der danner en cirkel for at skabe et hult "nanoskalarør", hvor det indre er næsten helt tomt.

Et kulstof nanorør er i det væsentlige et "rør", og et rør på nanoskalaen.

Dens mikrostruktur er som følger: carbonatomer er forbundet til hinanden gennem kovalente bindinger, og danner et stabilt grafenark med seks-ringe, og derefter "rulles" dette grafenark til en cylinder. Denne cylinder er hul - der er ingen atomer indeni, kun luft eller et vakuum. Rulning af et lag skaber et enkelt-carbon-nanorør (SWCNT); rulning af flere lag skaber et multi-carbon nanorør (MWCNT) med en mellemlagsafstand på ca. 0,34 nm.

Nøglen til at måle vægten af ​​et materiale: Densitet=Masse/volumen

Metaller er fulde af atomer, pakket tæt, så de er tunge. Skallen på et kulstofnanorør er sammensat af kulstofatomer (kulstofatomer er meget lettere end jern- eller aluminiumatomer), det indre er tomt, og skallen er ekstremt tynd -, så der er meget lidt materiale pr. volumenenhed, så det er naturligt let.

Brug en køkkenanalogi:En metalspatel er solid og tung; et hult sugerør er let, fordi det kun har en tynd væg på overfladen. Et kulstof nanorør er den molekylære version af et "hult sugerør."

3. Den virkelig forbløffende ting er ikke "letheden", men den "lette og dog stærke" kombination

Konklusion:Den specifikke styrke af kulstof nanorør når så højt som 500 MPa·cm³/g, langt over den for traditionelle metaller såsom stål, aluminium og titanium, hvilket gør det til et af de højeste blandt kendte ingeniørmaterialer.

Hvis det kun var "let", ville det ikke være specielt - skumplast er også meget let, men det knuses let. Det, der virkelig gør kulstofnanorør forbløffende, er, at de, selvom de er så lette som luft, også er utrolig stærke.

Som vi analyserede i detaljer i den forrige artikel: Trækstyrken af ​​kulstofnanorør kan nå 50-200 GPa, hvilket er 100 gange stålets. Når disse data ganges med dimensionen "lethed", får vi en metrik, der driver ingeniører til vanvid – specifik styrke (styrke ÷ tæthed).

Tag et kig på dette sæt af sammenlignende data:

Jo højere den specifikke styrke, desto større-bæreevne for en given vægt. Den specifikke styrke af kulstofnanorør (500) er næsten 10 gange den for stål (51) - et reb lavet af kulstofnanorør af samme vægt kan bære næsten 10 gange belastningen af ​​et ståltov.

Det er grunden til, at forskere forestiller sig at bruge kulstof-nanorør til at bygge en rumelevator -, fordi kun et materiale, der er "let som en fjer, stærkt som stål" muligvis kan skabe et kabel, der strækker sig fra Jorden ud i rummet.

4. Den industrielle revolution bragt af "lethed": 40 % vægtreduktion, 25 % brændstofbesparelse

Konklusion:Carbon nanorør-kompositter har allerede opnået vægtreduktionseffekter på op til 40% i fly- og bilindustrien, hvilket direkte kan omsættes til en 20-25% forbedring af brændstofeffektiviteten.

"Lethed" er ikke bare et talspil; det ændrer mærkbart det industrielle landskab.

Ifølge en oversigtsartikel i det internationale akademiske tidsskriftMaterialevidenskab og teknik: R, har kulstof nanorør-kompositter vist et stort potentiale i luftfarts- og bilindustrien: vægten af ​​strukturelle komponenter kan reduceres med op til 40%, mens de bevarer eller endda forbedrer mekaniske egenskaber.

Lad os se på eksempler fra den virkelige-verden:

Tilfældet med Boeing 787 er særligt værd at nævne. Denne "Dreamliner" gør udstrakt brug af avancerede kompositmaterialer (inklusive kulstof nanorør-forstærkede materialer), hvilket ikke kun opnår en betydelig vægtreduktion, men gør det også muligt for dette store passagerfly at spare over 20 % på brændstof sammenlignet med lignende modeller. Korea Institute of Science and Technology (KIST) gik endda et skridt videre og byggede direkte en motor uden metalspoler -, der erstattede kobbertråd med carbon nanorørtråd, hvilket resulterede i en motorvægt på kun en-femtedel af en kobbermotor.

For et fly:Brændstofbesparelser=flyver længere + lavere billetpriser + reduceret kulstofemission.

For et elektrisk køretøj:Vægtreduktion=længere rækkevidde + hurtigere acceleration + mindre batteri.

Lethed er guld; lethed er konkurrenceevne.

5. Shandong Tanfeng Nyt materiale: Gør "Lightness" til Købbare Produkter

Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. masse-producerer og producerer de "ultra-lette" egenskaber ved kulstofnanorør, der betjener avancerede-fremstillingsindustrier såsom rumfart og nye energikøretøjer.

At omdanne kulstofnanorør fra et "mirakelmateriale" i laboratoriet til et industrielt råmateriale, som ingeniører kan bestille, kræver virksomheder, der virkelig mestrer-produktionsteknologi i stor skala.

Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. er præcis sådan en virksomhed.

Hvad gør det?

Virksomheden fokuserer på forskning og udvikling og produktion af multi-væggede kulstofnanorør (MWCNT'er), enkeltvæggede kulstofnanorør (SWCNT'er), funktionaliserede kulstofnanorør, ledende pastaer og præ-dispergerede produkter. Produktets renhed er større end eller lig med 97,5 %, resterende urenheder af Fe-, Co- og Ni-katalysatorer er mindre end eller lig med 0,5 ppm, rørdiameterfordelingen er snæver, og batch-til-batchkonsistens CV er<5%.

Dens kernekompetencer:

Tanfeng New Material leverer også PA12 carrier multi-væggede kulstof nanorør masterbatches til europæiske leverandører af autodele, der opfylder de strenge anti-statiske krav til brændstofledninger. Når virksomheder som BMW og Boeing har brug for højtydende letvægtsmaterialer, forvandles kulstofnanorør fra et fjernt laboratoriekoncept til håndgribelige produkter på hylderne hos kinesiske virksomheder som Tanfeng.

Resumé: Hvad betyder "letheden" af kulstofnanorør?

Kulstofnanorørs "lethed" har aldrig været et simpelt tal med lav-densitet. Det handler om at bære den største belastning med den mindste masse, at opnå den stærkeste ydelse med det mindste materiale og skabe den højeste effektivitet med de letteste komponenter.

Når Shandong Tanfeng New Material kontinuerligt "blæser" dette sorte pulver fra sit fabriks---pulver, der er lettere end luft (i dets tappet tilstand) og alligevel stærkere end stål -, signalerer det, at "letvægts-æraen" i materialeverdenen virkelig er ankommet.