碳纳米管与钢铁相比有多坚固？解锁最强材料的潜力

在拉伸强度方面，单个碳纳米管比钢坚固得多。 测得的最坚固的单个纳米管，在相同横截面积下，比最坚固的钢合金强度高出 50 到 100 倍。关键在于，它们在实现这种强度的同时，密度仅约为钢的六分之一。

虽然单个碳纳米管具有无与伦比的拉伸强度，但主要的工程挑战在于将这种纳米级的特性转化为大规模、可用的材料。因此，碳纳米管的真正优势不仅仅是强度，而是革命性的强度重量比，这在实践中仍然难以实现。

超越一个简单的数字：定义“强度”

如果没有上下文，“强度”一词可能会产生误导。材料表现出不同类型的强度，比较碳纳米管（CNT）和钢需要考察几个关键指标。

这是 CNTs 展现其最著名特性的地方。拉伸强度衡量材料抵抗被拉开的能力。

碳原子之间极其牢固的共价键赋予单个 CNTs 高达 100 GPa（吉帕斯卡）的理论拉伸强度。相比之下，高强度钢合金的极限通常在 1-2 GPa 左右。

刚度衡量材料抵抗弹性变形的能力。在这里，CNTs 再次占优。

CNTs 的杨氏模量超过 1,000 GPa，使其成为有史以来发现的最坚硬的材料之一。钢的杨氏模量要低得多，约为 200 GPa。

对于航空航天、汽车和其他对重量至关重要的领域的应用，原始强度不如强度重量比重要。

CNTs 的密度约为 1.3-1.4 g/cm³，而钢约为 7.8 g/cm³。这种巨大的差异意味着，在给定重量下，基于 CNT 的结构有潜力比钢结构强大几个数量级。

上述非凡的特性适用于单个、通常是无缺陷的微观尺度纳米管。阻碍 CNTs 取代桥梁和建筑物中的钢材的主要障碍是将这些特性转化为大型宏观物体。

由 CNTs 组成的绳索不是由管内强大的碳键维系的，而是由管之间更弱的范德华力维系的。

这些微弱的管间连接成为了失效点，这意味着块状 CNT 材料的强度明显低于其所含的单个管。克服这一点是材料科学研究的一个主要焦点。

制造一个大物体需要制造数万亿根纳米管并将它们完美对齐。

目前的生产方法通常会产生缠结、不纯或短的管子，这会大大降低复合材料的最终强度。这使得高性能 CNT 材料的大规模生产变得极其困难和昂贵。

钢在结构应用中持续占主导地位，并非因为对更好材料的无知。这是一个基于不同优势的审慎工程选择。

钢具有出色的韧性，即吸收能量和变形而不发生断裂的能力。它在断裂前会弯曲，为结构提供了关键的安全裕度。

虽然 CNTs 极其坚固，但它们可能很脆。它们能抵抗非常高的变形点，然后可能会断裂。块状 CNT 材料通常不表现出钢的优美失效模式。

钢是一种极其成熟、各向同性（在所有方向上均匀）且具有成本效益的材料。

工程师对其性能拥有数百年的数据，并且可以以大规模廉价生产。CNTs 仍然是一种昂贵、专业的材料，在块状形式下具有更复杂和不可预测的行为。

虽然 CNTs 在拉伸方面表现出色，但它们在压缩下的性能就不那么显著了。细长的管子在受压时容易屈曲。钢作为一种固体块状材料，提供了优异且可靠的抗压强度。

您对材料的选择必须由应用的具体要求驱动，而不仅仅是单一的性能指标。

如果您的主要关注点是针对专业应用（例如航空航天复合材料、弹道防护、先进系绳）的最高强度重量比： CNTs 作为聚合物基体中的增强添加剂，其性能潜力远远超过任何传统金属。
如果您的主要关注点是结构完整性、韧性和成本效益（例如建筑、桥梁、基础设施）： 鉴于其可预测的失效模式、抗压强度和低成本，钢仍然是更优越和更实用的选择。
如果您的主要关注点是增强现有材料的性能（例如制造更坚固的塑料或导电性更好的环氧树脂）： CNTs 最适合作为高性能添加剂，而不是钢的块状替代品。

最终，理解这些材料意味着将它们视为针对根本不同工程挑战的高度专业化的工具，而不是直接的竞争对手。