ท่อนาโนคาร์บอนเบาแค่ไหน?

ท่อนาโนคาร์บอนเป็นหนึ่งในวัสดุที่เบาที่สุดที่รู้จัก โดยมีความหนาแน่นเพียง 1.3-2.1 g/cm³ ซึ่งต่ำกว่าเหล็กกล้า (7.9 g/cm³) และอะลูมิเนียม (2.7 g/cm³) มาก (2.7 g/cm³) ซึ่งหมายความว่าในปริมาตรเดียวกัน น้ำหนักของท่อนาโนคาร์บอนจะอยู่ที่ 1/6 ของเหล็กและ 1/2 ของอะลูมิเนียมเท่านั้น น่าประหลาดใจยิ่งกว่านั้น แม้ว่าท่อนาโนคาร์บอนจะเบากว่าอลูมิเนียม แต่ความต้านทานแรงดึงของพวกมันนั้นสูงกว่าเหล็กถึง 100 เท่า - ซึ่งเป็นส่วนผสมของ "เบาแต่แข็งแกร่ง" ซึ่งหาได้ยากในธรรมชาติ คอมโพสิตท่อนาโนคาร์บอนประสบความสำเร็จในการลดน้ำหนักลง 40% และประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงที่ดีขึ้น 20-25% ในอุตสาหกรรมการบินและยานยนต์ วัสดุใหม่ Shandong Tanfeng กำลังส่งเสริมการพัฒนาอุตสาหกรรมของวัสดุพิเศษที่ "เบาดุจขนนก แข็งแกร่งดุจเหล็ก"

1. ท่อนาโนคาร์บอนเบาแค่ไหน? ชุดตัวเลขบอกคุณ

บทสรุป:ความหนาแน่นของท่อนาโนคาร์บอนอยู่ที่ประมาณ 1.3-2.1 g/cm³ ซึ่งเบากว่าอลูมิเนียมและมีเพียง 1/6 ของเหล็กเท่านั้น

ก่อนอื่นเรามาดูข้อมูลที่ยากกันก่อน ตามวรรณกรรมทางวิชาการจากห้องปฏิบัติการภายใต้กระทรวงพลังงานของสหรัฐอเมริกา ความหนาแน่นโดยทั่วไปของคอมโพสิตท่อนาโนคาร์บอน (CNT) คือ 1.3 กรัม/ซม.ลูกบาศก์ ข้อมูลผลิตภัณฑ์ในประเทศยังยืนยันลำดับขนาดนี้ - ความหนาแน่นที่แท้จริงของผลิตภัณฑ์เชิงพาณิชย์บางชนิดคือประมาณ 2 g/cm³ โดยมีความหนาแน่นของก๊อกน้ำเพียง 0.18 g/cm³ โดยสรุป ความหนาแน่นปรากฏของผงท่อนาโนคาร์บอนตกอยู่ที่ประมาณ 1.3-2.1 g/cm³

“ความเบา” นี้หมายถึงอะไร? ลองเปรียบเทียบกับโลหะประสิทธิภาพสูง-ที่เราคุ้นเคยในชีวิตประจำวัน:

เพื่อให้เป็นตัวอย่างตามสัญชาตญาณ: ดุมล้อรถยนต์ธรรมดาหากทำจากวัสดุคอมโพสิตท่อนาโนคาร์บอน อาจมีน้ำหนักลดลงจากมากกว่า 20 จิน (ประมาณ 10 กก.) เหลือ 5-6 จิน (ประมาณ 2.5-3 กก.) คุณสามารถยกมันได้อย่างง่ายดายด้วยมือเดียว

2. เหตุใดท่อนาโนคาร์บอนจึงเบามาก ความลับอยู่ใน "ฟิกเกอร์ระดับนาโน" ของพวกเขา

บทสรุป:คุณลักษณะแสงพิเศษ-ของท่อนาโนคาร์บอนมีต้นกำเนิดจากโครงสร้างจุลภาคที่เป็นเอกลักษณ์ - อะตอมของคาร์บอนถูกจัดเรียงในรูปแบบรังผึ้งหกเหลี่ยม ก่อตัวเป็นวงกลมเพื่อสร้าง "ท่อขนาดนาโน" กลวง โดยภายในว่างเปล่าเกือบทั้งหมด

ท่อนาโนคาร์บอนโดยพื้นฐานแล้วก็คือ "ท่อ" และเป็นท่อที่มีระดับนาโนในขณะนั้น

โครงสร้างจุลภาคมีดังนี้: อะตอมของคาร์บอนเชื่อมต่อกันผ่านพันธะโควาเลนต์ ก่อตัวเป็นแผ่นกราฟีนที่มีวงแหวนหกสมาชิก{0}}ที่เสถียร จากนั้นแผ่นกราฟีนนี้จะถูก "รีด" ให้เป็นทรงกระบอก ทรงกระบอกนี้กลวง - ไม่มีอะตอมอยู่ข้างใน มีแต่อากาศหรือสุญญากาศ การกลิ้งหนึ่งชั้นจะทำให้เกิด-ท่อนาโนคาร์บอน (SWCNT) ที่มีผนังผนังเดียว การกลิ้งหลายชั้นจะทำให้เกิดท่อนาโนคาร์บอนที่มีผนังหลาย- (MWCNT) โดยมีระยะห่างระหว่างชั้นประมาณ 0.34 นาโนเมตร

หัวใจสำคัญในการวัดน้ำหนักของวัสดุ: ความหนาแน่น=มวล / ปริมาตร

โลหะเต็มไปด้วยอะตอม อัดแน่นอยู่แน่นจึงหนัก เปลือกของท่อนาโนคาร์บอนประกอบด้วยอะตอมของคาร์บอน (อะตอมของคาร์บอนเบากว่าอะตอมของเหล็กหรืออะลูมิเนียมมาก) ภายในว่างเปล่า และเปลือกบางมาก - จึงมีวัสดุน้อยมากต่อหน่วยปริมาตร ดังนั้นจึงมีน้ำหนักเบาตามธรรมชาติ

การใช้การเปรียบเทียบห้องครัว:ไม้พายโลหะมีความแข็งและหนัก หลอดดื่มแบบกลวงมีน้ำหนักเบาเนื่องจากมีผนังบางบนพื้นผิวเท่านั้น ท่อนาโนคาร์บอนเป็นเวอร์ชันโมเลกุลของ "ฟางดื่มแบบกลวง"

3. สิ่งที่น่าทึ่งอย่างแท้จริงไม่ใช่ "ความสว่าง" แต่เป็นการผสมผสาน "เบาแต่แข็งแกร่ง"

บทสรุป:ความแข็งแรงจำเพาะของท่อนาโนคาร์บอนสูงถึง 500 MPa·cm³/g ซึ่งสูงกว่าโลหะแบบดั้งเดิม เช่น เหล็ก อะลูมิเนียม และไทเทเนียม อย่างมาก ทำให้เป็นหนึ่งในวัสดุทางวิศวกรรมที่สูงที่สุดในบรรดาวัสดุทางวิศวกรรมที่เป็นที่รู้จัก

ถ้ามันเป็นเพียง "เบา" นั่นก็ไม่ใช่โฟมชนิดพิเศษ - ที่จะเบามากเช่นกัน แต่ก็แตกง่าย สิ่งที่ทำให้ท่อนาโนคาร์บอนน่าทึ่งอย่างแท้จริงก็คือ แม้จะเบาพอๆ กับอากาศ แต่ก็มีความแข็งแกร่งอย่างไม่น่าเชื่อเช่นกัน

ดังที่เราวิเคราะห์โดยละเอียดในบทความที่แล้ว: ความต้านทานแรงดึงของท่อนาโนคาร์บอนสามารถสูงถึง 50-200 GPa ซึ่งมากกว่าเหล็ก 100 เท่า เมื่อข้อมูลนี้คูณด้วยมิติของ "ความเบา" เราจะได้ตัวชี้วัดที่ทำให้วิศวกรคลั่งไคล้ - ความแข็งแกร่งเฉพาะ (ความแข็งแกร่ง ۞ ความหนาแน่น)

ดูข้อมูลเปรียบเทียบชุดนี้:

ยิ่งมีความแข็งแรงจำเพาะสูงเท่าใด ความสามารถในการรับน้ำหนัก-สำหรับน้ำหนักที่กำหนดก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น ความแข็งแรงจำเพาะของท่อนาโนคาร์บอน (500) เกือบ 10 เท่าของเหล็ก (51) - เชือกที่ทำจากท่อนาโนคาร์บอนที่มีน้ำหนักเท่ากัน สามารถรับน้ำหนักได้เกือบ 10 เท่าของเชือกลวดเหล็ก

นี่คือสาเหตุที่นักวิทยาศาสตร์จินตนาการถึงการใช้ท่อนาโนคาร์บอนเพื่อสร้างลิฟต์อวกาศ - เพราะมีเพียงวัสดุที่ "เบาเหมือนขนนก แข็งแรงเหมือนเหล็ก" เท่านั้นที่สามารถสร้างสายเคเบิลที่ทอดยาวจากโลกสู่อวกาศได้

4. การปฏิวัติอุตสาหกรรมนำมาซึ่ง "ความเบา": น้ำหนักลดลง 40%, ประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิง 25%

บทสรุป:คอมโพสิตท่อนาโนคาร์บอนประสบความสำเร็จในการลดน้ำหนักได้มากถึง 40% ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศและยานยนต์ ซึ่งแปลได้โดยตรงว่าประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงดีขึ้น 20-25%

"ความเบา" ไม่ใช่แค่เกมตัวเลขเท่านั้น มันกำลังเปลี่ยนแปลงภูมิทัศน์อุตสาหกรรมอย่างเห็นได้ชัด

ตามบทความวิจารณ์ในวารสารวิชาการนานาชาติวัสดุศาสตร์และวิศวกรรมศาสตร์: รคอมโพสิตท่อนาโนคาร์บอนได้แสดงให้เห็นถึงศักยภาพที่ยอดเยี่ยมในอุตสาหกรรมการบินและยานยนต์ โดยน้ำหนักของส่วนประกอบโครงสร้างสามารถลดลงได้สูงสุดถึง 40% ในขณะที่ยังคงรักษาหรือปรับปรุงคุณสมบัติทางกลอีกด้วย

มาดูตัวอย่างการใช้งานจริง-กัน:

กรณีของโบอิ้ง 787 เป็นสิ่งที่ควรค่าแก่การกล่าวถึงเป็นอย่างยิ่ง "Dreamliner" นี้ใช้วัสดุคอมโพสิตขั้นสูงอย่างกว้างขวาง (รวมถึงวัสดุเสริมด้วยท่อนาโนคาร์บอน-) ไม่เพียงแต่ลดน้ำหนักลงได้มาก แต่ยังช่วยให้เครื่องบินโดยสารขนาดใหญ่นี้สามารถประหยัดเชื้อเพลิงได้มากกว่า 20% เมื่อเทียบกับรุ่นที่คล้ายกัน สถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีแห่งเกาหลี (KIST) ก้าวไปอีกขั้นด้วยการสร้างมอเตอร์โดยตรงโดยไม่ต้องใช้ขดลวดโลหะใดๆ - แทนที่ลวดทองแดงด้วยลวดท่อนาโนคาร์บอน ส่งผลให้มอเตอร์มีน้ำหนักเพียงหนึ่ง-หนึ่งในห้าของมอเตอร์ทองแดง

สำหรับเครื่องบิน:การประหยัดเชื้อเพลิง=บินได้ไกลขึ้น + ราคาตั๋วลดลง + ลดการปล่อยก๊าซคาร์บอน

สำหรับยานยนต์ไฟฟ้า:การลดน้ำหนัก=ช่วงที่ยาวขึ้น + อัตราเร่งเร็วขึ้น + แบตเตอรี่เล็กลง

ความสว่างคือทองคำ ความเบาคือความสามารถในการแข่งขัน

5. วัสดุใหม่ Shandong Tanfeng: เปลี่ยน "ความเบา" ให้เป็นผลิตภัณฑ์ที่ซื้อได้

Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. ผลิต-และผลิตคุณลักษณะ "เบาพิเศษ" ของท่อนาโนคาร์บอนในปริมาณมาก โดยให้บริการแก่อุตสาหกรรมการผลิตระดับสูง- เช่น การบินและอวกาศและยานพาหนะพลังงานใหม่

การเปลี่ยนท่อนาโนคาร์บอนจาก "วัสดุมหัศจรรย์" ในห้องปฏิบัติการให้เป็นวัตถุดิบทางอุตสาหกรรมที่วิศวกรสามารถสั่งซื้อได้นั้น ต้องใช้บริษัทที่เชี่ยวชาญ-เทคโนโลยีการผลิตขนาดใหญ่อย่างแท้จริง

Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. เป็นบริษัทดังกล่าวอย่างแน่นอน

มันทำอะไร?

บริษัทมุ่งเน้นไปที่การวิจัยและพัฒนาและการผลิต-ท่อนาโนคาร์บอนแบบมีผนังหลายชั้น (MWCNT) ท่อนาโนคาร์บอนแบบมีผนังชั้นเดียว (SWCNT) - ท่อนาโนคาร์บอนแบบฟังก์ชันการทำงาน สารเพสต์ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า และผลิตภัณฑ์-ที่กระจายตัวแล้ว ความบริสุทธิ์ของผลิตภัณฑ์มากกว่าหรือเท่ากับ 97.5% สิ่งเจือปนที่ตกค้างของตัวเร่งปฏิกิริยา Fe, Co และ Ni น้อยกว่าหรือเท่ากับ 0.5 ppm การกระจายตัวของเส้นผ่านศูนย์กลางของท่อแคบ และความสอดคล้องของแบทช์-ถึง- CV คือ<5%.

ความสามารถหลัก:

Tanfeng New Material ยังจัดหามาสเตอร์แบทช์คาร์บอนนาโนทิวบ์หลาย-ที่มีผนังหลายชั้นของ PA12 ให้กับซัพพลายเออร์ชิ้นส่วนยานยนต์ในยุโรป ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนดป้องกันไฟฟ้าสถิต-ที่เข้มงวดสำหรับท่อน้ำมันเชื้อเพลิง เมื่อบริษัทอย่าง BMW และ Boeing ต้องการวัสดุน้ำหนักเบาประสิทธิภาพสูง- ท่อนาโนคาร์บอนกำลังเปลี่ยนจากแนวคิดในห้องปฏิบัติการที่อยู่ห่างไกลไปเป็นผลิตภัณฑ์ที่จับต้องได้บนชั้นวางของบริษัทจีนเช่น Tanfeng

สรุป: "ความสว่าง" ของท่อนาโนคาร์บอนหมายถึงอะไร

"ความเบา" ของท่อนาโนคาร์บอนไม่เคยเป็นเพียงตัวเลขความหนาแน่นต่ำ-มาก่อน มันเป็นเรื่องของการบรรทุกน้ำหนักที่มากที่สุดโดยมีมวลน้อยที่สุด บรรลุประสิทธิภาพที่แข็งแกร่งที่สุดโดยใช้วัสดุน้อยที่สุด และสร้างประสิทธิภาพสูงสุดด้วยส่วนประกอบที่เบาที่สุด

เมื่อวัสดุใหม่ซานตง Tanfeng "เป่า" ผงสีดำนี้จากโรงงานอย่างต่อเนื่อง - ผงที่เบากว่าอากาศ (ในสถานะกรีด) แต่แข็งแกร่งกว่าเหล็ก - ถือเป็นสัญญาณว่า "ยุคน้ำหนักเบา" ของโลกวัสดุได้มาถึงแล้วอย่างแท้จริง