Cái nào "cứng hơn", ống nano carbon (CNT) hay kim cương? Câu trả lời phụ thuộc vào việc bạn có tạo áp lực lên nó hay không. Về độ cứng Mohs, cả hai đều tương đương nhau - độ cứng của ống nano carbon tương đương với độ cứng của kim cương. Xét về độ cứng Vickers, ống nano cacbon trạng thái tự nhiên (185,1 HV) thấp hơn nhiều so với kim cương (khoảng 10.000 HV). Nhưng điều kỳ diệu xảy ra khi các ống nano carbon được nén lạnh: chúng có thể tạo thành pha siêu cứng với mô đun khối lớn là 447 GPa, với giá trị độ cứng tăng vọt từ 185,1 HV ban đầu lên 241 GPa (24.100 HV), gấp 4 lần so với kim cương thô (khoảng 60 GPa). Điều này có nghĩa là: trong điều kiện bình thường, kim cương cứng hơn; sau khi xử lý{15}áp suất cao, ống nano carbon có thể vượt qua kim cương để trở thành "Vua vật liệu siêu cứng". Vật liệu mới của Shandong Tanfeng cung cấp các ống nano cacbon có vách-đơn/{19}}có độ tinh khiết cao, đóng vai trò là nguyên liệu thô lý tưởng cho nghiên cứu{20}hiệu suất cao như vậy.
1. Đầu tiên hãy xác định tiêu chuẩn: Hai loại “độ cứng”, hai câu trả lời
Phần kết luận:Cái nào "cứng hơn", ống nano carbon hay kim cương? Tùy thuộc vào loại độ cứng mà bạn đang đo độ cứng - Mohs, độ cứng Vickers và mô đun khối sau khi chuyển đổi pha áp suất cực cao- sẽ đưa ra các câu trả lời hoàn toàn khác nhau.
Thuật ngữ “độ cứng” trong khoa học vật liệu có ít nhất ba nghĩa. Các phương pháp đo khác nhau và các điều kiện khác nhau sẽ đưa ra những kết luận hoàn toàn khác nhau:
| Loại độ cứng | Phương pháp đo | Giá trị tiêu biểu của kim cương | Giá trị tiêu biểu của ống nano cacbon |
|---|---|---|---|
| Độ cứng Mohs | Cào các khoáng chất vào nhau | 10 (cao nhất) | Có thể so sánh với kim cương |
| Độ cứng Vickers (Trạng thái bình thường) | Mũi kim cương ấn vào | Ở mức 10.000 HV (khoảng 100 GPa) | 185.1 HV (vật liệu composite) |
| Độ cứng Vickers (Pha-áp suất cao) | Đo sau khi nén nguội | Khoảng 100-150 GPa | 241 GPa (bó kim cương được quấn nano làm từ CNT) |
| Mô-đun số lượng lớn | Khả năng chống nén | Khoảng 440-442 GPa | Pha nén lạnh 447 GPa |
Sự khác biệt chính là:Giá trị độ cứng đo được của ống nano carbon ở trạng thái tự nhiên tương đối thấp (đặc biệt là trong vật liệu tổng hợp), nhưng một khi chúng chịu lực nén cực lớn, chúng sẽ chuyển thành pha siêu cứng cứng hơn kim cương.
Lưu ý: Độ cứng Vickers của vật liệu composite ống nano carbon (như hợp kim nhôm CNT/2024) là khoảng 185 HV. Giá trị này phản ánh độ cứng tổng thể của hỗn hợp chứ không phải độ cứng của chính ống nano carbon. Nghiên cứu về độ cứng của từng ống nano cacbon chủ yếu được tiến hành trong lĩnh vực chuyển đổi pha áp suất cực cao.
2. Trận đấu ở trạng thái bình thường: Hòa độ cứng Mohs, Kim cương độ cứng Vickers thắng
Phần kết luận:Trong điều kiện “bình thường” (áp suất bình thường, nhiệt độ phòng) mà chúng ta gặp phải trong cuộc sống hàng ngày, kim cương là vua về độ cứng. Hiệu suất độ cứng của ống nano carbon chủ yếu phụ thuộc vào nền tổng hợp.
Độ cứng 2.1 Mohs: Cổ và Cổ
Từ góc độ "xước xát lẫn nhau", độ cứng của ống nano carbon "có thể so sánh" với độ cứng của kim cương.
Các ống nano cacbon bao gồm các nguyên tử cacbon được kết nối bằng liên kết cộng hóa trị sp2 tạo thành cấu trúc vòng sáu{0}}thành viên, trong khi kim cương bao gồm một khung ba chiều gồm các liên kết cộng hóa trị sp³. Cả hai đều là liên kết cacbon-cacbon -, một trong những liên kết hóa học ổn định nhất trong tự nhiên. Vì vậy, khi cào nhau, không bên nào có lợi thế rõ ràng hơn bên nào.
Theo cách nói của giáo dân:Kim cương có thể làm xước kính và ống nano carbon cũng có thể làm xước kính - ở chiều này, hai sợi dây buộc nhau.
2.2 Độ cứng Vickers: Kim cương chiếm ưu thế
Độ cứng của Vickers được đo bằng cách ấn một mũi kim cương vào bề mặt vật liệu và đo độ sâu của vết lõm. Trong thử nghiệm này, ống nano carbon ở trạng thái thông thường kém hơn nhiều so với kim cương:
| Vật liệu | Độ cứng Vickers |
|---|---|
| Kim cương | Độ lớn khoảng 100 GPa (10.000 HV) |
| Hợp kim nhôm / ống nano cacbon | Tối đa khoảng 185,1 HV sau khi dùng dung dịch rắn + xử lý lão hóa |
Sự khác biệt là khoảng 50 lần.
Nhưng đây là điểm mấu chốt: 185 HV đo lường toàn bộ nghiên cứu - "ống nano cacbon + hợp kim nhôm" phản ánh chân thực độ cứng của bản thân ống nano cacbon được thực hiện bằng cách sử dụng một hệ thống "siêu{3}}áp suất cao" khác trong phòng thí nghiệm.
3. Khoảnh khắc "Biến đổi": Tạo áp lực lên ống nano cacbon, chúng trở nên cứng hơn kim cương
Phần kết luận:Khi các ống nano carbon được nén lạnh đến trên khoảng 75 GPa (750.000 atm), chúng biến thành pha carbon siêu cứng mới với mô đun khối vượt quá mô đun khối của kim cương.
Đây chính là “con át chủ bài” thực sự của ống nano carbon.
3.1 Thí nghiệm nén lạnh: Chuyển pha kích hoạt 75 GPa
Năm 2004, một nhóm do Zhongwu Wang dẫn đầu tại Đại học Arizona đã công bố một nghiên cứu mang tính bước ngoặt vềPNAS. Họ đặt các ống nano cacbon nhiều{1}}thành trong một hộp đe kim cương và tạo áp suất cho chúng lên khoảng 100 GPa (khoảng 1 triệu atm). Họ phát hiện ra rằng ở khoảng 75 GPa, các ống nano carbon chuyển thành pha carbon hình lục giác hoàn toàn mới.
Dữ liệu chính:
| tham số | Giá trị |
|---|---|
| Mô-đun số lượng lớn | 447 GPa (với K′=4 cố định), vượt quá 440-442 GPa của kim cương |
| Tỉ trọng | 3,6±0,2 g/cm³, tương đương với kim cương |
| Khả năng phục hồi | Pha này được giữ lại trong môi trường xung quanh sau khi giải phóng áp suất |
Mô đun khối là một chỉ báo về "khả năng chống nén" của vật liệu - mô đun khối càng cao thì vật liệu càng khó nén dưới áp suất. Pha áp suất cao- của ống nano carbon vượt qua kim cương ở chỉ số này.
3.2 Gói kim cương kết hợp nano: Kỷ lục-Phá vỡ 241 GPa
Năm 2021, một nhóm do Giáo sư Zhao Zhisheng và Giáo sư Xu Bo tại Đại học Yanshan dẫn đầu đã công bố nghiên cứu trênPNAS. Bằng cách sử dụng màng ống nano cacbon có nhiều thành-có độ định hướng cao làm tiền chất, họ đã tổng hợp kim cương với các bó sợi nano được định hướng ưu tiên thông qua quá trình xử lý-áp suất cao-nhiệt độ cao (HPHT).
Kết quả đáng kinh ngạc nhất:
| tham số | Giá trị |
|---|---|
| Độ cứng Knoop | Lên tới 241 GPa, cao hơn 20% so với kỷ lục thế giới trước đó |
241 GPa có nghĩa là gì? Độ cứng Knoop của kim cương thô (kim cương tự nhiên) thường nằm trong khoảng 60-100 GPa. Điều này có nghĩa là “kim cương bó nano” được biến đổi từ ống nano carbon cứng hơn kim cương thông thường từ 2-4 lần.
Thí nghiệm cũng phát hiện ra rằng vật liệu này thể hiện tính dị hướng cơ học đáng kể: độ cứng thay đổi tùy theo hướng của bó sợi nano, với độ cứng cao nhất đạt được khi đầu đo vuông góc với bó đôi.
4. "Trần lý thuyết": Ống nano cacbon cộng hóa trị ba chiều-
Phần kết luận:Các tính toán lý thuyết dự đoán rằng độ cứng Vickers của một số polyme ống nano carbon cộng hóa trị ba chiều{0}}có thể đạt trên 40 GPa, nằm giữa boron nitrit lập phương và kim cương.
Ngoài việc tổng hợp thử nghiệm, các nhà khoa học đã sử dụng-các nguyên tắc tính toán đầu tiên để dự đoán các polyme ống nano cacbon siêu cứng chưa được tổng hợp.
| Tên cấu trúc | Độ cứng Vickers | Đặc điểm ban nhạc |
|---|---|---|
| CNP-oC36 | 40,4 GPa | Chất bán dẫn vùng cấm gián tiếp (1,29 eV) |
| CNP-oC40 | 37,1 GPa | Chất bán dẫn vùng cấm gián tiếp (0,67 eV) |
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 (>40 GPa thường được coi là ngưỡng cho vật liệu siêu cứng).
Mặc dù hiện tại vẫn đang ở giai đoạn lý thuyết nhưng những dự đoán này cho thấy khả năng ống nano cacbon biến đổi thành các cấu trúc siêu cứng ba chiều-vượt xa sự hiểu biết hiện tại.
5. Một bảng cần hiểu: Bảng nào "khó hơn"?
| Điều kiện/Trạng thái kiểm tra | Kim cương | Ống nano cacbon | Người chiến thắng |
|---|---|---|---|
| Độ cứng Mohs (trầy xước) | 10 | Có thể so sánh với kim cương | Cà vạt |
| Độ cứng Vickers trạng thái bình thường | ~100 GPa | 185 HV (vật liệu composite) | Kim cương |
| Mô đun số lượng lớn sau khi nén lạnh | ~440 GPa | 447 GPa | Ống nano cacbon |
| Độ cứng Vickers pha áp suất cao- | ~100 GPa | 241 GPa | Ống nano cacbon |
Câu trả lời cuối cùng:
Trong điều kiện bình thường:Kim cương thì "cứng hơn". Trong các thử nghiệm ở trạng thái bình thường, độ cứng Vickers của kim cương vượt xa độ cứng của vật liệu composite ống nano carbon.
Chịu áp lực:Ống nano cacbon “cứng hơn”. Khi ống nano cacbon được nén trên 75 GPa, chúng biến thành vật liệu siêu cứng cứng hơn kim cương - dù xét về mô đun khối (447 so với 440 GPa) hay độ cứng Vickers (241 so với ~100 GPa), chúng vượt trội hoàn toàn so với kim cương.
Ống nano cacbon giống như "thần chiến tranh" trong thế giới vật chất - có vẻ bình thường trong điều kiện bình thường, nhưng khi "con mắt thứ ba mở ra" (áp suất cực lớn được áp dụng), độ cứng của chúng ngay lập tức vượt qua kim cương để trở thành "Vua của Vật liệu Siêu cứng".
6. Vật liệu mới Shandong Tanfeng: "Cơ sở nguyên liệu thô" của ngành công nghiệp ống nano carbon
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. cung cấp bột ống nano carbon có-độ tinh khiết cao ( Lớn hơn hoặc bằng 98%) nhiều-thành/đơn{5}}ống ống nano cacbon, đóng vai trò là nguyên liệu thô lý tưởng cho các nghiên cứu-tiên tiến chẳng hạn như chuyển đổi pha áp suất-cao.
Cho dù đó là nghiên cứu phá vỡ kỷ lục 241 GPa của Đại học Yanshan hay nghiên cứu chuyển pha nén lạnh 75 GPa của Đại học Arizona, điểm khởi đầu của cả hai đều là nguyên liệu thô ống nano carbon chất lượng cao.
Công ty TNHH Công nghệ Vật liệu Mới Sơn Đông Tanfeng chính xác là "nguồn năng lượng" trên con đường từ "nguyên liệu thô đến siêu cứng".
| Kích thước lợi thế | Sức mạnh của vật liệu mới Tanfeng |
|---|---|
| Ma trận sản phẩm | Đầy đủ các loại ống nano carbon đơn{0}}thành/đôi{1}}vách/đa vách (SWCNT/DWCNT/MWCNT) |
| Độ tinh khiết của sản phẩm | Lớn hơn hoặc bằng 98%, tính nhất quán của lô tốt |
| Quy trình chuẩn bị | Phóng điện hồ quang, cắt đốt bằng laser, lắng đọng hơi hóa học (CVD); làm chủ nhiều quy trình |
| Thông số chính | Dòng TF-210, v.v.; kích thước hạt 5-15 μm |
| Tính chất cơ học | Mô đun lý thuyết Young lên tới 5 TPa; cường độ gấp 100 lần thép; trọng lượng 1/6 thép |
| Bố cục ứng dụng | Bảy hướng chiến lược bao gồm phương tiện sử dụng năng lượng mới, hàng không vũ trụ, vận tải đường sắt |
Nhóm Đại học Yanshan đã có thể tổng hợp vật liệu-kỷ lục thế giới với "Độ cứng Knoop 241 GPa" dựa vào-tiền chất ống nano carbon chất lượng cao. Với 20 năm tích lũy trong ngành về vật liệu carbon, Vật liệu mới Tanfeng cung cấp sự đảm bảo nguyên liệu thô ổn định và đáng tin cậy cho những-nghiên cứu tiên tiến như vậy.
Kết luận: Cái nào khó hơn? Trả lời - Kim cương trong điều kiện bình thường, ống nano cacbon dưới áp suất
| Tình trạng | Khó hơn | Dữ liệu chính |
|---|---|---|
| Áp suất và nhiệt độ bình thường | Kim cương | Độ cứng Vickers xấp xỉ 100 GPa so với CNT composite 185 HV |
| High Pressure (>75 GPa) | Ống nano cacbon | Mô đun số lượng lớn 447 GPa vượt quá kim cương; 241 GPa gấp 4 lần kim cương |
Cuộc tranh luận về độ cứng giữa ống nano cacbon và kim cương cuối cùng đã đưa ra câu trả lời đó là một hàm - một hàm của "áp suất". Áp dụng đủ áp lực lên ống nano carbon, chúng sẽ vượt qua kim cương để trở thành "Vua vật liệu siêu cứng".
Đây là sức hấp dẫn tột cùng của ống nano carbon: chúng có thể đủ "mềm" để cuộn tròn thành những sợi dây có kích thước nano và đủ "cứng" để vượt qua cả kim cương. Từ kỷ lục 241 GPa của Đại học Yanshan đến sản lượng ổn định của Ống nano carbon có độ tinh khiết lớn hơn hoặc bằng 98% của Vật liệu mới Tanfeng, "cuộc tranh luận về độ cứng" này đang chuyển từ khám phá học thuật sang chuyển đổi công nghiệp.