ค่าการนำไฟฟ้าและความร้อนของท่อนาโนคาร์บอนดีแค่ไหน?

ค่าการนำไฟฟ้าและความร้อนของท่อนาโนคาร์บอนดีแค่ไหน? การวิเคราะห์ประสิทธิภาพที่แท้จริงจากข้อมูล

ในด้านวัสดุศาสตร์ มีสสารเพียงไม่กี่ชนิดที่ดึงดูดนักวิจัยมานานหลายทศวรรษ เช่น ท่อนาโนคาร์บอน โครงสร้างท่อเหล่านี้ประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอนทั้งหมดและวัดเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงหนึ่งในสิบ-เส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นผมมนุษย์ รวบรวมความคาดหวังเกือบทั้งหมดสำหรับ-วัสดุชั้นยอดรุ่นต่อไป ในระหว่างการสนทนากับลูกค้า มีคำถามหนึ่งเกิดขึ้นอยู่เสมอ: ค่าการนำไฟฟ้าและความร้อนของท่อนาโนคาร์บอนดีแค่ไหน? วันนี้เราจะตอบคำถามนั้นด้วยข้อมูลและข้อเท็จจริง

1. การนำไฟฟ้า: อิเล็กตรอนวิ่งไปตาม "ซุปเปอร์ไฮเวย์"

เพื่อทำความเข้าใจประสิทธิภาพทางไฟฟ้าของ CNT เราต้องชื่นชมโครงสร้างของมันก่อน พันธะอะตอมของคาร์บอนผ่านการผสมพันธุ์ของ sp²-เป็นพันธะเคมีที่แข็งแกร่งที่สุดที่รู้จัก ในการกำหนดค่านี้ อิเล็กตรอนสามารถเคลื่อนที่อย่างรวดเร็วไปตามผนังท่อโดยไม่มีสิ่งกีดขวาง ปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการขนส่งอิเล็กตรอนแบบขีปนาวุธ

1.1 ตัวเลขที่โดดเด่น: ทองแดงนับหมื่นเท่า

ผลลัพธ์ทั้งทางทฤษฎีและการทดลองมีความโดดเด่น: CNT สามารถแสดงค่าการนำไฟฟ้าได้ในทิศทางที่กำหนดสูงกว่าทองแดงหลายหมื่นเท่า. ที่อุณหภูมิห้อง ค่าการนำไฟฟ้าของ SWCNT สามารถเข้าถึงได้สูงถึง 10³ S/cm สิ่งนี้หมายความว่าอย่างไร? หากสายไฟธรรมดาเป็นเหมือนถนนในชนบทที่เป็นหลุมเป็นบ่อซึ่งอิเล็กตรอนพยายามเคลื่อนที่ CNT ก็เหมือนกับทางด่วนแปด-เลนที่ช่วยให้การไหลของอิเล็กตรอนไม่มีสิ่งกีดขวาง

การวิเคราะห์เมตา-ที่ดำเนินการที่มหาวิทยาลัยเคมบริดจ์ตรวจสอบจุดข้อมูล 1,304 จุดจากบทความที่ผ่านการตรวจสอบโดยผู้ทรงคุณวุฒิ 266 ฉบับ- ผลการวิจัยระบุว่า CNT (FWCNT) ที่มีผนังบาง-ที่มีการเจือและเรียงชิดกันแสดงถึงประเภท-ที่มีประสิทธิภาพดีที่สุด โดยมีเส้นใยปั่นที่เป็นกรด-แสดงการนำไฟฟ้าที่โดดเด่นเป็นพิเศษ แม้ว่าค่าการนำไฟฟ้าของชุดประกอบ CNT ขนาดมหึมายังไม่ตรงกับค่าการนำไฟฟ้าของทองแดงอย่างสมบูรณ์ (ปัจจุบันประมาณหนึ่งใน-ค่าการนำไฟฟ้าที่หกของทองแดง) เมื่อพิจารณาว่า CNT มีความหนาแน่นเพียงเศษเสี้ยวของเหล็ก ค่าการนำไฟฟ้าจำเพาะของค่าการนำไฟฟ้า (ค่าการนำไฟฟ้า-ต่อ-อัตราส่วนความหนาแน่น) แสดงให้เห็นข้อได้เปรียบที่สำคัญแล้ว

1.2 เหตุใด CNT จึงมีสื่อกระแสไฟฟ้าสูง?

คำอธิบายอยู่ในกลศาสตร์ควอนตัม ในตัวนำทั่วไป อิเล็กตรอนจะชนกันอย่างต่อเนื่องขณะเคลื่อนที่ ทำให้เกิดความต้านทาน ใน CNT เนื่องจากมีขนาดที่เล็กมากและโครงสร้างที่สมบูรณ์แบบ อิเล็กตรอนจึงสามารถเดินทางแบบ "ขีปนาวุธ" โดยแทบไม่มีการสร้างความร้อนเลย การผสมพันธุ์ของ sp² ของพันธะ C–C ทำให้อิเล็กตรอนบนพื้นผิว CNT เคลื่อนที่ด้วยความเร็วใกล้ถึง 1/300 ของความเร็วแสง โดยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสูงถึง 20,000 cm²/(V·s)

นอกจากนี้ CNT สามารถแสดงพฤติกรรมของโลหะหรือเซมิคอนดักเตอร์ได้ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับ chirality ของพวกมัน คุณลักษณะที่ปรับได้นี้เปิดความเป็นไปได้มากมายสำหรับการใช้งานในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ในปี 2013 มหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดประสบความสำเร็จในการพัฒนาหน่วยประมวลผลกลางต้นแบบที่สร้างขึ้นจาก CNT ทั้งหมด แม้ว่าความถี่ในการทำงานจะอยู่ที่เพียง 1 kHz ในขณะนั้น แต่ก็พิสูจน์ให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของแนวทางนี้

2. การนำความร้อน: เหนือกว่าเพชร

หากการนำไฟฟ้าทำให้ CNT มีความน่าสนใจอย่างมากสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ประสิทธิภาพเชิงความร้อนของ CNT จะสร้างความตื่นเต้นให้กับผู้เชี่ยวชาญในการจัดการระบายความร้อน

2.1 ขีดจำกัดทางทฤษฎี: 5800 W/(m·K)

การคาดการณ์ทางทฤษฎีระบุว่า CNT น่าจะมีค่าการนำความร้อนสูงกว่าเพชร ซึ่งอาจทำให้พวกเขาเป็นวัสดุที่นำความร้อนมากที่สุดในโลก ตัวเลขเฉพาะคืออะไร? SWCNT สามารถเข้าถึงค่าการนำความร้อนได้5800 W/(m·K)ในขณะที่ MWCNT บรรลุผลประมาณ 3000 W/(m·K) สำหรับการเปรียบเทียบ เพชร-ตัวนำความร้อนที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติที่ดีที่สุด-มีค่าการนำความร้อนประมาณ 2200 W/(m·K) กล่าวอีกนัยหนึ่ง CNT สามารถนำความร้อนได้ดีกว่าเพชรมากกว่าสามเท่า

2.2 จากทฤษฎีสู่การปฏิบัติ

แน่นอนว่า การวัดค่าการนำความร้อนของ CNT แต่ละตัวถือเป็นความท้าทายอย่างมาก การวัดค่า MWCNT แต่ละตัวตั้งแต่เนิ่นๆ ให้ค่าประมาณ 3000 W/(m·K) ซึ่งสอดคล้องกับการคาดการณ์ทางทฤษฎี

จุดสำคัญที่ต้องชี้แจงก็คือ เมื่อ CNT ถูกประกอบเป็นวัสดุที่มองเห็นด้วยตาเปล่า เช่น ฟิล์มหรือเส้นใย ค่าการนำความร้อนโดยรวมจะลดลงอย่างมาก เหตุผลง่ายๆ ก็คือ: หน้าสัมผัสระหว่างท่อ-ถึง-และช่องว่างภายในวัสดุขัดขวางการไหลของความร้อน ตัวอย่างเช่น เมื่อกด SWCNT ลงในแผ่นจำนวนมาก ค่าการนำความร้อนของอุณหภูมิห้องที่วัดได้-จะอยู่ที่ประมาณ 35 W/(m·K) เท่านั้น นี่ไม่ได้หมายความว่า CNT เองก็ทำงานได้ไม่ดี ค่อนข้างจะเน้นว่าการถ่ายโอนคุณสมบัติพิเศษระดับนาโนไปยังแอสเซมบลีขนาดมหภาคยังคงเป็นความท้าทายที่สำคัญสำหรับการค้า

2.3 กลไกการนำความร้อน: บทบาทของโฟนอน

การนำความร้อนใน CNT ถูกควบคุมโดยหน่วยเสียงเป็นหลัก การวิจัยระบุว่าเส้นทางอิสระของโฟนันใน CNT มีค่าประมาณ 0.5–1.5 μm โครงสร้าง sp² อำนวยความสะดวกในการเคลื่อนย้ายหน่วยเสียง ทำให้ CNT มีคุณสมบัติทางความร้อนที่โดดเด่น ความสามารถในการกระจายความร้อนที่มีประสิทธิภาพนี้พบการใช้งานจริง นักวิจัยที่สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติของสหรัฐอเมริกา (NIST) ยังได้พัฒนาสารเคลือบที่ใช้ MWCNT- ซึ่งช่วยลดการติดไฟของโฟมโพลียูรีเทนได้ถึง 35% เนื่องจากการกระจายความร้อนอย่างรวดเร็วของ CNT และการก่อตัวของชั้นถ่านป้องกันภายใต้ความร้อนจัด

3. คุณสมบัติเหล่านี้ทำอะไรได้บ้างในทางปฏิบัติ?

ข้อมูลทางทฤษฎีที่น่าประทับใจจะต้องแปลไปสู่การใช้งานจริงในท้ายที่สุด การใช้ CNT เป็นสารเติมแต่งที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าในแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออนเป็นตัวอย่างที่ดี-

3.1 เครือข่ายนำไฟฟ้าในแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน

ในวัสดุแคโทดแบตเตอรี่ลิเธียม- โหลด CNT ประมาณ 1.5% จะให้ผลลัพธ์เช่นเดียวกับ 3% ของคาร์บอนแบล็กทั่วไป ที่สำคัญกว่านั้น CNT ได้สร้างเครือข่ายสื่อกระแสไฟฟ้าสามมิติ-. CNT มิติเดียว- ร่วมกับอนุภาคแอคทีฟ ก่อให้เกิดเครือข่าย 3 มิติที่เพิ่มประสิทธิภาพการเคลื่อนย้ายอิเล็กตรอนระหว่างวัสดุแอคทีฟและตัวสะสมปัจจุบันได้อย่างมีประสิทธิภาพ ตัวอย่างเช่น สำหรับวัสดุลิเธียมแมงกานีสออกไซด์ (LiMn₂O₄) การเพิ่ม MWCNT ส่งผลให้สามารถรักษากำลังการผลิตได้ 99% หลังจาก 20 รอบ เทียบกับเพียง 90% สำหรับวัสดุบริสุทธิ์

ประสิทธิภาพในระบบลิเธียมโคบอลต์ออกไซด์ (LiCoO₂) ก็น่าประทับใจไม่แพ้กัน ที่อัตรา 2C เซลล์ LiCoO₂/MWCNT จะแสดงความจุที่ลดลงน้อยที่สุด ในขณะที่เซลล์ที่มีคาร์บอนแบล็กหรือเส้นใยคาร์บอนจะแสดงการสูญเสียความจุ 10% และ 30% ตามลำดับหลังจาก 20 รอบ เหตุผลนั้นตรงไปตรงมา: เครือข่ายนำไฟฟ้าที่เกิดจาก CNT อำนวยความสะดวกในการถ่ายโอนประจุและลดความต้านทาน

3.2 มากกว่าแบตเตอรี่ลิเธียม-ไอออน

นอกเหนือจากแบตเตอรี่แล้ว CNT ยังเจาะตลาดด้านอื่นๆ อีกมากมาย:

การบินและอวกาศ: ฟิล์ม CNT ที่พัฒนาขึ้นที่ MIT สามารถให้ความร้อนและรักษาวัสดุคอมโพสิตได้ โดยใช้พลังงานเพียง 1% ของพลังงานที่ต้องการในหม้อนึ่งความดันแบบดั้งเดิม ในขณะที่ผลิตส่วนประกอบที่มีความแข็งแกร่งที่เทียบเคียงได้

อิเล็กทรอนิกส์: ทรานซิสเตอร์ที่ใช้ CNT- มีขนาดเล็กกว่าและเป็นสื่อกระแสไฟฟ้าได้มากกว่า และมีศักยภาพที่จะสืบทอดจากซิลิคอน

การจัดเก็บพลังงานและการจัดการความร้อน: การใช้งานใหม่ๆ ในซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ วัสดุเชื่อมต่อในการระบายความร้อน และพื้นที่อื่นๆ กำลังเกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว

4. มณฑลซานตง Tanfeng ในกระบวนการเชิงพาณิชย์

หลังจากหารือเกี่ยวกับข้อมูลทางทฤษฎีและ-การประยุกต์ใช้งานที่ทันสมัยแล้ว เราจะกลับมาสู่ความเป็นจริงในทางปฏิบัติอีกครั้ง ไม่ว่าวัสดุจะมีความยอดเยี่ยมเพียงใด หากไม่สามารถผลิตตามขนาดหรือจัดหาได้อย่างน่าเชื่อถือ มันก็ยังคงเป็นภาพลวงตาสำหรับอุตสาหกรรม

มณฑลซานตง Tanfeng ใหม่วัสดุเทคโนโลยี Co. , Ltd.เป็นผู้มีส่วนร่วมสำคัญในกระบวนการค้าขาย CNT ในประเทศ ในฐานะองค์กรที่มุ่งเน้นเทคโนโลยี-ซึ่งอุทิศให้กับการวิจัยและพัฒนา การผลิต และการขาย CNT กลุ่มผลิตภัณฑ์ของ Shandong Tanfeng ประกอบด้วยผง MWCNT, ผง SWCNT, สารเพสต์สื่อกระแสไฟฟ้า CNT, มาสเตอร์แบทช์สื่อกระแสไฟฟ้า CNT และวัสดุ-ซิลิคอนแอโนดคาร์บอน

บริษัทถือครองสิทธิบัตรที่ยังมีผลอยู่มากกว่าสิบรายการที่เกี่ยวข้องกับ CNT วัสดุแอโนดคาร์บอนของซิลิคอน- และการผลิตอุปกรณ์อัจฉริยะ เทคโนโลยีที่ได้รับการจดสิทธิบัตรเหล่านี้รับประกันความน่าเชื่อถือทางเทคนิคตั้งแต่การพัฒนาห้องปฏิบัติการไปจนถึงการผลิตจำนวนมาก ปัจจุบัน ผลิตภัณฑ์ของ Shandong Tanfeng มีการใช้กันอย่างแพร่หลายใน 7 ภาคส่วนหลัก ได้แก่ ยานพาหนะพลังงานใหม่ คอมโพสิตโพลีเมอร์ขั้นสูง อีลาสโตเมอร์ การบินและอวกาศ การขนส่งทางรถไฟ การผลิตพลังงานลม และการจัดเก็บพลังงานไฮโดรเจน

สำหรับผง CNT นั้น Shandong Tanfeng ได้พัฒนาเกรดหลายเกรด รวมถึง TF-210, TF-300, TF-400 และ TF-500 โดยมีความบริสุทธิ์มากกว่าหรือเท่ากับ 99% และความยาวตั้งแต่ 5 ถึง 15 μm ตอบสนองความต้องการกระบวนการของลูกค้าที่หลากหลาย ไม่ว่าจะต้องการ MWCNT ที่มีอัตราส่วนภาพสูงหรือ SWCNT เพื่อประสิทธิภาพสูงสุด ก็มีโซลูชันที่เหมาะสมให้เลือก

ต่างจากซัพพลายเออร์ที่เสนอเฉพาะผงเท่านั้น Shandong Tanfeng ยังจัดหาเพสต์นำไฟฟ้า CNT อีกด้วย ซึ่งช่วยให้ลูกค้าปลายน้ำหลีกเลี่ยงการสำรวจกระบวนการที่โดยทั่วไปจำเป็นสำหรับการกระจายตัว สิ่งนี้มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับผู้ผลิตแบตเตอรี่ลิเธียม- เนื่องจากการกระจาย CNT ออกเป็นสารละลายอย่างสม่ำเสมอยังคงเป็นความท้าทายทางเทคนิคที่ได้รับการยอมรับในอุตสาหกรรม ด้วยการใช้ประโยชน์จาก-เทคโนโลยีการกระจายตัวที่พัฒนาขึ้นเอง Shandong Tanfeng รับประกันคุณภาพแบทช์ที่สม่ำเสมอ ช่วยให้ลูกค้า "ใช้ทันทีจากถุง" ได้อย่างแท้จริง

5. มุมมองที่สมจริง: ระหว่างการแสดงและความเป็นจริง

ในฐานะนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรด้านวัสดุ เราต้องจับตาดูทั้งดวงดาวและพื้นดิน ค่าการนำไฟฟ้าและความร้อนของ CNT นั้นเป็น "เพดาน" ตามทฤษฎี แต่ข้อเท็จจริงหลายประการจำเป็นต้องได้รับการยอมรับในการใช้งานจริง:

ประการแรก คุณสมบัติระดับนาโนไม่เท่ากับคุณสมบัติมหภาคCNT แต่ละตัวอาจมีค่าการนำความร้อนอยู่ที่ 5800 W/(m·K) แต่ฟิล์มขนาดมหภาคที่ทำจาก CNT อาจมีค่าการนำความร้อนเพียงไม่กี่สิบเท่านั้น ซึ่งไม่ได้เกิดจากการบกพร่องใดๆ ใน CNT แต่เกิดจากการสัมผัสของท่อ-และช่องว่างในชุดประกอบขนาดมหึมาที่มีการต้านทานความร้อนอย่างมีนัยสำคัญ

ประการที่สอง การกระจายตัวยังคงเป็นความท้าทายอย่างต่อเนื่องCNT มีพื้นที่ผิวสูงและแรง van der Waals ที่แข็งแกร่ง ทำให้พวกมันมีแนวโน้มที่จะรวมตัวกันเป็นกลุ่มก้อน หากไม่มีการกระจายตัวที่เหมาะสม แม้แต่ค่าการนำไฟฟ้าสูงสุดก็ไม่สามารถทำได้ ส่วนผสมที่เตรียมไว้ล่วงหน้า-ที่ซานตง ตันเฟิงนำเสนอมีจุดมุ่งหมายเพื่อแก้ไขจุดที่เป็นปัญหานี้โดยเฉพาะ

ประการที่สาม การเลือกวัสดุจะต้องตรงกับการใช้งานข้อกำหนดสำหรับสารเติมแต่งที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าจะแตกต่างกันระหว่างแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟต (LFP) และแบตเตอรี่นิกเกิล-โคบอลต์-แมงกานีส (NCM) รวมถึงระหว่างซิลิคอน-แอโนดคาร์บอนและแอโนดกราไฟท์ สำหรับเซลล์ประเภทพลังงาน-ทั่วไป MWCNT ให้ความคุ้มทุน-ได้ดีที่สุด สำหรับระบบ-การชาร์จเร็วหรือระบบแอโนดซิลิคอน- อาจจำเป็นต้องใช้ SWCNT เมทริกซ์ผลิตภัณฑ์หลายเกรดของ Shandong Tanfeng-ได้รับการออกแบบมาเพื่อให้ลูกค้ามีความยืดหยุ่นในการเลือกตามความต้องการของพวกเขา

เมื่อหลายปีก่อน ที่งานนิทรรศการอุตสาหกรรม วิศวกรคนหนึ่งได้จัดตัวอย่าง CNT และถามฉันว่า "ข้อมูลของวัสดุนี้ดูน่าประทับใจมาก ทำไมเราจึงไม่สามารถบรรลุผลลัพธ์ในอุดมคติด้วยวัสดุนี้" ในเวลานั้น ฉันตอบว่า: "คุณสมบัติของวัสดุและประสิทธิภาพของผลิตภัณฑ์เป็นสองสิ่งที่แตกต่างกัน สิ่งแรกขึ้นอยู่กับความสามารถโดยธรรมชาติ และอย่างหลังขึ้นอยู่กับทักษะ"

ฉันยังคงรักษามุมมองนั้นไว้จนทุกวันนี้ ความสามารถโดยธรรมชาติของ CNT นั้นไม่ต้องสงสัยเลย-ว่าพวกมันนำไฟฟ้าได้ดีกว่าทองแดงและความร้อนได้ดีกว่าเพชร แต่การเปลี่ยนความสามารถโดยธรรมชาติให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่มีเสถียรภาพและเชื่อถือได้นั้น จำเป็นต้องบริษัทอย่าง Shandong Tanfeng-ซึ่งมีเทคโนโลยีที่ได้รับสิทธิบัตร ประสบการณ์การผลิต และความเชี่ยวชาญด้านการใช้งานที่สะสมมา-ต้องเปลี่ยน "ความสามารถ" ให้เป็น "ทักษะ" อย่างต่อเนื่อง

หากคุณกำลังมองหาซัพพลายเออร์ที่เชื่อถือได้สำหรับผง CNT หรือแป้งเพสต์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า หรือต้องการสำรวจว่า CNT สามารถนำมาใช้กับผลิตภัณฑ์ของคุณได้อย่างไร โปรดติดต่อ Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. เราจะหารือกันว่า "วัสดุชั้นยอด" นี้สามารถเพิ่มศักยภาพให้กับผลิตภัณฑ์ของคุณได้อย่างไร