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“納米飛刃”真實存在嗎?掃描電子顯微鏡給你答案

更新時間:2024-03-08

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        只有頭發(fā)絲十分之一粗細的“飛刃"究竟是什么材料?在現(xiàn)實生活中真實存在嗎?是否真能做到像切豆腐一樣削鐵如泥呢?



     碳納米管是由呈六邊形排列的碳原子構(gòu)成數(shù)層到數(shù)十層的同軸圓管,層與層之間保持約0.34 nm的固定距離,直徑一般為2~20 nm。是一種一維量子材料,具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和化學(xué)性能。碳納米管中碳原子形成的化學(xué)鍵同時具有sp2sp3雜化,主要是sp2雜化,具有高模量和高強度。它的抗拉強度達到50~200GPa,是鋼的100倍,密度卻只有鋼的1/6。它的彈性模量可達1TPa,與金剛石的彈性模量相當,約為鋼的5倍。碳納米管是目前可制備出的具有最高比強度的材料。碳納米管的硬度與金剛石相當,卻擁有良好的柔韌性,可以拉伸,是理想的高強度纖維材料,因此“納米飛刃"在理論上是真實存在的。同時,碳納米管也是制造“太空電梯"纜繩的最佳材料。


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      上圖為使用KYKY-EM8100型場發(fā)射槍掃描電子顯微鏡拍攝的不同放大倍數(shù)的多壁碳納米管,掃描電子顯微鏡可以很好地觀察碳納米管的管徑、長徑比、團聚程度以及斷裂缺陷等


在實際應(yīng)用中,雖然碳納米管擁有強大的力學(xué)性能,但離產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用還有很長的一段路要走,除了無法量產(chǎn)的問題以外,還存在著切割過程中材料磨損老化與摩擦放熱等問題,這些都會造成碳納米管材料的老化,使其力學(xué)性能大打折扣,造成纖維斷裂。
現(xiàn)階段用碳納米管是無法完成堅硬物體切割的,目前工業(yè)上有很多硬質(zhì)材料都是用切割鋼線或者更高質(zhì)量的金剛線來切割。金剛線,顧名思義,跟金剛石有關(guān),大體上是把金剛石的微粉顆粒以一定的分布密度均勻地鑲嵌在母線(一般為高碳鋼絲)上,做成的金剛石切割線。通過金剛石切割機,金剛線與被切割物體間進行高速磨削運動,從而實現(xiàn)切割目的。主要用于光伏領(lǐng)域的多晶硅切片、單晶硅、晶棒等。從晶體硅料到硅片經(jīng)歷切方、截斷及切片三個環(huán)節(jié),其中切方及截斷環(huán)節(jié)為保證切割速度及切割效率,通常用較粗線徑的金剛線,而切片環(huán)節(jié)根據(jù)原材料利用率等,選擇較細的金剛線。


      金剛線的母線,一般為高碳鋼絲,由拉絲廠家將盤條拉制為不同直徑的黃絲,再將黃絲進一步拉為微米級的母線。金剛石微粉由人造金剛石顆粒破碎而成,顆粒度一般小于50μm,是金剛線起切割作用的關(guān)鍵材料,其質(zhì)量及穩(wěn)定性直接影響后續(xù)電鍍工藝及成品金剛線質(zhì)量。金剛石的分布密度、固結(jié)強度、切割能力、鋼線的抗疲勞性等都直接影響金剛線的性能。


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金剛線二次電子圖像


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金剛線背散射圖像


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金剛線截面


上圖為使用KYKY-EM6900LV型鎢燈絲掃描電子顯微鏡拍攝的金剛線的縱向及橫向截面,可以很好地觀察金剛線的母線線徑、金剛石微粉的大小及分布密度、鍍層的厚度、鍍層與母線的固結(jié)程度等


科技的進步與發(fā)展離不開所有科技工作者付出的辛勞汗水,雖然現(xiàn)階段人類受困于科技水平暫時還無法實現(xiàn)所有設(shè)想,但相信總有一天,人類終會登上碳納米管纜繩搭載的太空電梯,登陸星際宇宙,挾飛仙以遨游,抱明月而長終。在漫長艱辛的科研旅程中,中科科儀掃描電子顯微鏡與您風(fēng)沙星辰,永遠相伴!是您科研道路上的得力助手!


以上所有觀測圖均為KYKY-EM8100型場發(fā)射槍掃描電子顯微鏡和KYKY-EM6900LV型鎢燈絲掃描電子顯微鏡拍攝。