¿Qué es más "duro", los nanotubos de carbono (CNT) o el diamante? La respuesta depende de si le aplicas presión. En términos de dureza de Mohs, los dos son comparables - la dureza de los nanotubos de carbono es comparable a la del diamante. En términos de dureza Vickers, los nanotubos de carbono en estado natural (185,1 HV) son muy inferiores a los del diamante (del orden de 10.000 HV). Pero ocurre un milagro cuando los nanotubos de carbono se comprimen en frío: pueden formar una fase ultradura con un módulo volumétrico de 447 GPa, con un valor de dureza que se eleva desde los 185,1 HV originales a 241 GPa (24.100 HV), que es 4 veces mayor que el del diamante en bruto (aproximadamente 60 GPa). Esto significa: en condiciones normales, el diamante es más duro; Después de un tratamiento de alta-presión, los nanotubos de carbono pueden superar al diamante y convertirse en el "rey de los materiales ultraduros". Shandong Tanfeng New Material proporciona nanotubos de carbono de pared simple/múltiples-de alta pureza-y de pared simple-, que sirven como materia prima ideal para investigaciones de tan alto-rendimiento.
1. Primero defina el estándar: dos tipos de "dureza", dos respuestas
Conclusión:¿Qué es más "duro", los nanotubos de carbono o el diamante? Depende del tipo de dureza que esté midiendo: - la dureza de Mohs, la dureza Vickers y el módulo de volumen después de una transformación de fase de presión ultra-alta dan respuestas completamente diferentes.
El término "dureza" en la ciencia de los materiales tiene al menos tres significados. Diferentes métodos de medición y diferentes condiciones dan conclusiones completamente diferentes:
| Tipo de dureza | Método de medición | Valor típico del diamante | Valor típico de nanotubos de carbono |
|---|---|---|---|
| Dureza de Mohs | Rascar los minerales entre sí. | 10 (más alto) | Comparable al diamante |
| Dureza Vickers (estado normal) | Penetrador de diamante presionando | Del orden de 10.000 HV (aproximadamente 100 GPa) | 185,1 HV (material compuesto) |
| Dureza Vickers (fase de alta-presión) | Medido después de la compresión en frío. | Aproximadamente 100-150 GPa | 241 GPa (haces de diamantes nanohermados fabricados a partir de CNT) |
| Módulo a granel | Resistencia a la compresión | Aproximadamente 440-442 GPa | Fase comprimida en frío 447 GPa |
La diferencia clave es:El valor de dureza medido de los nanotubos de carbono en su estado natural es relativamente bajo (especialmente en los compuestos), pero una vez que se someten a una compresión extrema, se transforman en una fase ultradura que es más dura que el diamante.
Nota: La dureza Vickers de un material compuesto de nanotubos de carbono (como la aleación de aluminio CNT/2024) es de aproximadamente 185 HV. Este valor refleja la dureza general del compuesto, no la dureza de los nanotubos de carbono en sí. La investigación sobre la dureza de los nanotubos de carbono individuales se lleva a cabo principalmente en el campo de la transformación de fases de presión ultra-alta.
2. Enfrentamiento de estado normal: empate en dureza de Mohs, victoria del diamante en dureza Vickers
Conclusión:En las condiciones "normales" (presión normal, temperatura ambiente) que encontramos en la vida diaria, el diamante es el rey absoluto de la dureza. El rendimiento de dureza de los nanotubos de carbono depende principalmente de la matriz compuesta.
2.1 Dureza Mohs: Cuello y Cuello
Desde la perspectiva del "rascado mutuo", la dureza de los nanotubos de carbono es "comparable" a la del diamante.
Los nanotubos de carbono están compuestos de átomos de carbono conectados por enlaces covalentes sp² que forman una estructura de anillo de seis-miembros, mientras que el diamante consta de una estructura tridimensional-de enlaces covalentes sp³. Ambos son enlaces carbono-carbono - uno de los enlaces químicos más estables de la naturaleza. Por tanto, a la hora de rascarse, ninguno tiene una clara ventaja sobre el otro.
En términos sencillos:El diamante puede rayar el vidrio y los nanotubos de carbono también pueden rayar el vidrio - en esta dimensión, los dos empatan.
2.2 Dureza Vickers: el diamante domina
La dureza Vickers se mide presionando un penetrador de diamante en la superficie del material y midiendo la profundidad de la indentación. En esta prueba, los nanotubos de carbono en estado convencional son muy inferiores al diamante:
| Material | Dureza Vickers |
|---|---|
| Diamante | Aproximadamente 100 GPa de magnitud (10.000 HV) |
| Nanotubos de carbono/compuesto de aleación de aluminio | Máximo aproximadamente 185,1 HV después de la solución sólida + tratamiento de envejecimiento |
La diferencia es de aproximadamente 50 veces.
Pero aquí hay un punto clave: 185 HV mide el "nanotubo de carbono + aleación de aluminio". Toda la - investigación que realmente refleja la dureza de los propios nanotubos de carbono se lleva a cabo utilizando otro sistema de "presión ultra-alta" en el laboratorio.
3. El momento de la "transformación": al aplicar presión a los nanotubos de carbono, se vuelven más duros que el diamante
Conclusión:Cuando los nanotubos de carbono se comprimen en frío por encima de aproximadamente 75 GPa (750.000 atmósferas), se transforman en una nueva fase de carbono ultraduro con un módulo de volumen superior al del diamante.
Esta es la verdadera "carta de triunfo" de los nanotubos de carbono.
3.1 Experimento de compresión en frío: 75 GPa desencadena la transición de fase
En 2004, un equipo dirigido por Zhongwu Wang de la Universidad de Arizona publicó un estudio histórico enPNAS. Colocaron nanotubos de carbono de paredes múltiples en una celda de yunque de diamante y los presurizaron a aproximadamente 100 GPa (alrededor de 1 millón de atmósferas). Descubrieron que aproximadamente a 75 GPa, los nanotubos de carbono se transformaban en una fase de carbono hexagonal completamente nueva.
Datos clave:
| Parámetro | Valor |
|---|---|
| Módulo a granel | 447 GPa (con K′=4 fijo), superando aproximadamente 440-442 GPa del diamante |
| Densidad | 3,6±0,2 g/cm³, comparable al diamante |
| Recuperabilidad | Esta fase se retuvo en el ambiente después de la liberación de presión. |
El módulo de volumen es un indicador de la "resistencia a la compresión" de un material - cuanto mayor sea el módulo de volumen, más difícil será comprimir el material bajo presión. La fase de alta-presión de los nanotubos de carbono supera al diamante en este indicador.
3.2 Paquetes de diamantes nanohermanados: récord-de 241 GPa
En 2021, un equipo dirigido por el profesor Zhao Zhisheng y el profesor Xu Bo de la Universidad de Yanshan publicó una investigación enPNAS. Utilizando películas de nanotubos de carbono de paredes múltiples altamente orientadas-como precursores, sintetizaron diamantes con haces nanomaculados orientados preferentemente mediante un tratamiento de alta-presión y alta{3}}temperatura (HPHT).
Los resultados más sorprendentes:
| Parámetro | Valor |
|---|---|
| Dureza Knoop | Hasta 241 GPa, más de un 20% más que el récord mundial anterior |
¿Qué significa 241 GPa? La dureza Knoop del diamante en bruto (diamante natural) suele estar entre 60 y 100 GPa. Esto significa que el "diamante en haz nanowinned" transformado a partir de nanotubos de carbono es entre 2 y 4 veces más duro que el diamante ordinario.
El experimento también encontró que este material exhibe una anisotropía mecánica significativa: la dureza varía dependiendo de la orientación de los haces nanogemelos, y la dureza más alta se logra cuando el penetrador es perpendicular a los haces gemelos.
4. El "techo teórico": nanotubos de carbono covalentes tridimensionales-
Conclusión:Los cálculos teóricos predicen que la dureza Vickers de ciertos polímeros de nanotubos de carbono covalentes tridimensionales-podría alcanzar más de 40 GPa, situándose entre el nitruro de boro cúbico y el diamante.
Además de la síntesis experimental, los científicos han utilizado cálculos de primeros-principios para predecir polímeros de nanotubos de carbono ultraduros que aún no se han sintetizado.
| Nombre de la estructura | Dureza Vickers | Características de la banda |
|---|---|---|
| CNP-oC36 | 40,4 GPa | Semiconductor de banda prohibida indirecta (1,29 eV) |
| CNP-oC40 | 37,1 GPa | Semiconductor de banda prohibida indirecta (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 (>Generalmente se considera que 40 GPa es el umbral para materiales ultraduros).
Aunque por ahora todavía se encuentran en la etapa teórica, estas predicciones sugieren que el potencial de los nanotubos de carbono para transformarse en estructuras tridimensionales ultraduras-dimensionales supera con creces los conocimientos actuales.
5. Una tabla para entender: ¿cuál es "más difícil"?
| Condición/estado de prueba | Diamante | Nanotubo de carbono | Ganador |
|---|---|---|---|
| Dureza Mohs (rayado) | 10 | Comparable al diamante | Atar |
| Dureza Vickers en estado normal | ~100 GPa | 185 HV (material compuesto) | Diamante |
| Módulo de volumen después de la compresión en frío | ~440 GPa | 447 GPa | Nanotubo de carbono |
| Dureza Vickers de fase de alta-presión | ~100 GPa | 241 GPa | Nanotubo de carbono |
La respuesta final:
En condiciones normales:El diamante es "más duro". En pruebas en estado normal, la dureza Vickers del diamante supera con creces la de los materiales compuestos de nanotubos de carbono.
Bajo presión:Los nanotubos de carbono son "más duros". Cuando los nanotubos de carbono se comprimen por encima de 75 GPa, se transforman en un material ultraduro que es más duro que el diamante - ya sea en términos de módulo volumétrico (447 frente a 440 GPa) o dureza Vickers (241 frente a ~100 GPa), superan ampliamente al diamante.
Los nanotubos de carbono son como el "dios de la guerra" en el mundo de los materiales - y parecen normales en condiciones normales, pero una vez que se abre su "tercer ojo" (se aplica una presión extrema), su dureza supera instantáneamente al diamante para convertirse en el "rey de los materiales ultraduros".
6. Nuevo material de Shandong Tanfeng: la "base de materia prima" de la industria de los nanotubos de carbono
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. proporciona polvo de nanotubos de carbono de alta-pureza (superior o igual al 98 %) de paredes múltiples/simples-, que sirve como materia prima ideal para investigaciones-de vanguardia, como las transiciones de fase de alta-presión.
Ya sea la investigación récord-de 241 GPa de la Universidad de Yanshan o la investigación de transición de fase de compresión en frío de 75 GPa de la Universidad de Arizona, el punto de partida para ambas son las materias primas de nanotubos de carbono de alta-calidad.
Shandong Tanfeng New Material Technology Co., Ltd. es precisamente la "fuente de energía" en este camino desde la "materia prima a la ultradura".
| Dimensión de ventaja | Resistencia del nuevo material Tanfeng |
|---|---|
| Matriz de productos | Gama completa de nanotubos de carbono de pared simple{0}}, de pared doble- y de pared múltiple- (SWCNT/DWCNT/MWCNT) |
| Pureza del producto | Mayor o igual al 98%, buena consistencia del lote |
| Procesos de preparación | Descarga de arco, ablación por láser, deposición química de vapor (CVD); dominio de múltiples procesos |
| Parámetros clave | Serie TF-210, etc.; tamaño de partícula 5-15 μm |
| Propiedades mecánicas | Módulo de Young teórico hasta 5 TPa; resistencia 100 veces mayor que la del acero; peso 1/6 del acero |
| Diseño de la aplicación | Siete direcciones estratégicas que incluyen vehículos de nuevas energías, aeroespacial y tránsito ferroviario. |
El equipo de la Universidad de Yanshan pudo sintetizar el material récord mundial-con una "dureza Knoop de 241 GPa" basándose en precursores de nanotubos de carbono de alta-calidad. Con 20 años de acumulación en la industria de materiales de carbono, Tanfeng New Material proporciona garantía de materia prima estable y confiable para este tipo de investigación-de vanguardia.
Conclusión: ¿Cuál es más difícil? Respuesta - Diamante en condiciones normales, nanotubos de carbono bajo presión
| Estado | Más difícil | Datos clave |
|---|---|---|
| Presión y temperatura normales | Diamante | Dureza Vickers de aproximadamente 100 GPa frente al compuesto CNT 185 HV |
| High Pressure (>75 GPa) | Nanotubos de carbono | El módulo volumétrico de 447 GPa supera al del diamante; 241 GPa es cuatro veces mayor que el diamante |
El debate sobre la dureza entre los nanotubos de carbono y el diamante finalmente da una respuesta que es función - de la "presión". Aplique suficiente presión a los nanotubos de carbono y superarán al diamante para convertirse en el "Rey de los materiales ultraduros".
Éste es el máximo encanto de los nanotubos de carbono: pueden ser lo suficientemente "blandos" como para enrollarse en cables a nanoescala y lo suficientemente "duros" como para superar al diamante. Desde el récord de 241 GPa de la Universidad de Yanshan hasta la producción estable de nanotubos de carbono con una pureza superior o igual al 98% de Tanfeng New Material, este "debate sobre la dureza" está pasando de la exploración académica a la transformación industrial.