碳纳米管相对于钢铁有哪些优势？无与伦比的强度和导电性

在微观层面上，碳纳米管（CNT）所具备的特性使其成为有史以来发现的最坚固、导电性最好的材料之一，在特定指标上远远超过钢铁。它们的主要优势在于无与伦比的强度重量比以及卓越的电导率和热导率。

虽然单个碳纳米管的理论特性远优于钢铁，但其实际应用方式从根本上是不同的。钢铁是用于大型结构的具有成本效益的各向同性散装材料，而碳纳米管是用于在微观层面上增强其他材料的高性能添加剂。

核心优势：解构碳纳米管的特性

围绕碳纳米管的关注源于其在纳米尺度上特性的独特组合。钢铁是工业材料的基准，但碳纳米管在几个关键领域重新定义了性能。

单个碳纳米管异常坚固，其拉伸强度估计比最坚固的钢合金高出 100 倍。

同时，它们的密度约为钢铁的六分之一。这种组合产生的强度重量比比钢铁高出数百倍，使其成为航空航天和高性能复合材料研究的焦点。

想象一下一根钢缆和一根由碳纳米管制成的缆绳，它们都能举起相同的重量。碳纳米管缆绳会明显更细、更轻。

钢铁是适度的电和热导体。相比之下，某些类型的碳纳米管表现出弹道传导，这意味着电子几乎可以无电阻地流过它们。

这使得它们的电导率优于铜，同时更耐用、更轻便。

它们的结构还允许它们沿着长度方向出色地传导热量。这种热导率超过了金刚石，使碳纳米管成为微电子和先进系统中散热的理想选择。

碳纳米管是细长的圆柱体，这赋予了它们非常高的长径比（长度与直径之比）。当它们用作添加剂时，这种几何形状至关重要。

少量的碳纳米管可以在另一种材料（如聚合物或环氧树脂）中形成一个巨大的、互锁的导电和增强网络。这使得主体材料在非常低的添加百分比下，其强度和导电性得到显著增强。

在评估先进材料时，生产足迹是一个关键因素。虽然与成熟的钢铁行业进行直接比较很复杂，但碳纳米管生产的效率是研究的一个关键领域。

在先进碳纳米材料家族中，碳纳米管的生产正变得越来越优化。

研究表明，与石墨烯或炭黑等替代品相比，碳纳米管的合成每公斤产生的相关二氧化碳排放量可能更低，而炭黑在复合材料中需要更高的添加量才能达到相似的效果。

如果碳纳米管如此出色，为什么它们没有被广泛使用？答案在于纳米级纤维与宏观结构材料之间巨大的实际和经济差距。

碳纳米管的卓越性能是在实验室中针对单个、近乎完美的管子测量的。我们还不能制造出完全由碳纳米管制成的宏观物体，例如汽车底盘或桥梁梁。

目前的生产方法会产生具有不同纯度、长度和类型的粉末或缠结的纳米管垫，其整体性能仅为其理论潜力的一个零头。

钢铁是地球上最实惠的工程材料之一，每公斤成本仅几美元。

相比之下，高纯度碳纳米管每克的成本可能高达数百甚至数千美元。这种成本差异意味着碳纳米管仅在它们的极端性能证明其合理性的应用中才可行。

由于强大的分子间作用力，碳纳米管倾向于聚集在一起，这就是所谓的团聚。

将这些团块分离并将纳米管均匀分散到主体材料（如塑料或金属）中是一项重大的工程挑战。不良的分散会导致薄弱点，并抵消了潜在的益处。

钢铁是各向同性材料，这意味着其强度和性能在所有方向上都是相同的。这使其易于设计和预测。

碳纳米管具有高度的各向异性。它们惊人的强度和导电性沿着其长度方向存在，但不在其直径方向上。因此，碳纳米管复合材料的性能完全取决于管子的排列方式，这增加了显著的复杂性。

选择使用碳纳米管还是钢铁的决定不是直接竞争，而是关于应用和意图的问题。您必须选择能够解决您特定问题的材料。

最终，了解散装结构金属与纳米级性能添加剂之间的根本区别，将使您能够为手头的工程任务选择正确的工具。