カーボンナノチューブとダイヤモンドはどちらが硬いですか?どっちが強い？

カーボンナノチューブとダイヤモンドは同等の硬さを持っていますが、「硬い」の定義は異なります。ダイヤモンドは傷の硬度（モース硬度）が10と天然鉱物の中で最高です。カーボン ナノチューブには標準的なモース硬度値はありませんが、その引っかき能力はダイヤモンドに匹敵します。ビッカース硬度 (耐圧痕性) に関しては、ダイヤモンドは 7140-15300 HV ですが、カーボン ナノチューブは約 1000 ～ 2000 HV です。しかし、研究により、ビッカース硬度 82.8 GPa の三次元共有結合カーボン ナノチューブが合成されました。靭性の点では、カーボンナノチューブは鋼鉄の100倍の強度があり、伸ばすことができます。ダイヤモンドは硬いですが、非常にもろく、ハンマーで砕けてしまう可能性があります。結論：引っかき硬度では、ダイヤモンド≒カーボンナノチューブ。衝撃靱性においては、カーボンナノチューブはダイヤモンドを完全に上回ります。

1. まずは「硬さ」を理解しよう：意味の違い

結論：日常生活において「硬い」という言葉には、実際には、- 傷の硬さ（耐摩耗性）と耐衝撃性の 2 つの意味があります。ダイヤモンドは最初の試合でのみ勝ちますが、2 番目の試合では負けます。

カーボンナノチューブとダイヤモンドを比較する前に、「硬度」とは実際には何を意味するのかを明確にする必要があります。

硬度が高いということは「ハンマーでは砕けない」と誤解している人が多いです。これは誤解です。

専門的には、硬度は主に次の 2 種類に分類されます。

ダイヤモンド：天然鉱物の中で最高のモース硬度10。しかし、「八面体へき開」-を持っており、特定の方向に力が加わると、わずかな力でも裂けてしまうことがあります。ダイヤモンドをハンマーで叩くと粉々になります。これは硬度が足りないのではなく、脆性が高いためです。

カーボンナノチューブ:自然界で最も安定した化学結合の 1 つである C=C 共有結合によって接続された炭素原子で構成されています。モース硬度には標準値はありませんが、傷つきやすさはダイヤモンドに匹敵します。カーボンナノチューブも「柔軟性があり、伸ばすことができる」という点がポイントだ。

たとえて言うと、次のようになります。ダイヤモンドはガラスのようなものです - 表面は非常に硬く、耐摩耗性がありますが、-床に落とすと割れてしまいます。カーボン ナノチューブは鋼線のようなものです - ガラスを傷つけることもありますが、曲げたり伸ばしたりすることもでき、壊れることはありません。

2. データに語らせましょう: カーボン ナノチューブ vs. ダイヤモンド - どちらが強いですか?

結論：カーボンナノチューブは、引張強さと比強度（強度÷密度）の点で、ダイヤモンドに匹敵しない「超繊維」です。ビッカース硬さの点では、天然のカーボンナノチューブはダイヤモンドほど硬くありませんが、人工合成されたカーボンナノチューブはそれに近づき、あるいはそれを超えています。

データの比較を直接見てみましょう。

これらのデータ ポイントのいくつかは詳しく調べる価値があります。

1. 引張強度：カーボンナノチューブの完全勝利
カーボン ナノチューブの引張強さは 50-200 GPa です。ダイヤモンドは硬いですが、「張力に耐える」のが苦手です。たとえて言うと、ダイヤモンドはガラスレンガのようなものです。砕くことはできませんが、引っ張ると簡単に壊れます。

2. 弾性率: カーボンナノチューブの方がわずかに優れています
弾性率は「変形に耐える能力」を測定します。ダイヤモンドは約1.0～1.2TPaです。カーボン ナノチューブの理論値は 5 TPa に達する可能性があり、測定値は通常 1 ～ 1.8 TPa の範囲になります。 「剛性」という点ではほぼ同等で、カーボンナノチューブの方がわずかに優れている程度だ。

3. 比強度：カーボンナノチューブがすべてを支配する
比強度=強度 ÷ 密度、「単位重量がどれだけの引っ張り力に耐えられるか」を測定します。カーボンナノチューブの比強度は鋼鉄の100倍で、25-100 GPa・cm3/gに達します。これは、カーボン ナノチューブからロープを作成した場合、同じ重量のスチール ロープよりも 100 倍の強度があることを意味します。これは、SF 小説「三体問題」で巨大船を切り裂くために「ナノ飛行ブレード」が使用された理由、また科学者が「宇宙エレベーター」の建設にカーボン ナノチューブの使用を構想している理由でもあります。

4. 超硬質カーボン ナノチューブ: 新たな科学的進歩
2022 年の研究では、理論計算を通じて 3 次元の共有結合カーボン ナノチューブを設計しました。-そのビッカース硬度は 82.8 GPa に達し、立方晶窒化ホウ素に匹敵します。同年の別の研究では、ビッカース硬度がそれぞれ 40.4 GPa と 37.1 GPa である 2 つの準安定超硬質カーボン ナノチューブ ポリマーが予測されました。{5}

これらのデータは、カーボン ナノチューブが靭性の点でダイヤモンドに勝つことができるだけでなく、「硬さ」の指標でもカーボン ナノチューブがダイヤモンドを超えることを可能にしていることを示しています。

3.「ナノフライングブレード」は本物か？カーボンナノチューブの強度はどのくらいですか?

結論：巨大な船を切り裂く「三体問題」の「ナノ飛行ブレード」はカーボン ナノチューブをベースとしています。{0}実際、カーボン ナノチューブの理論上の強度は確かに「金属を泥のように切り裂く」のに十分です。

SF 小説「三体問題」では、人間の髪の毛のわずか 10 分の 1 の厚さの「ナノ飛行刃」が巨大な船を豆腐のように切り裂くことができます。-この概念は何もないところから思いついたものではありません - その原型はカーボン ナノチューブです。

カーボンナノチューブは実際に何を達成できるのでしょうか?

鋼鉄の100倍の強度:人間の髪の毛よりも細いカーボンナノチューブの束があれば、理論的には車を持ち上げることができる。

どの繊維よりも強い:カーボンナノチューブは、強度と靭性の両方において、既知の繊維よりもはるかに優れています。

宇宙エレベーターは夢ではありません:科学者たちは、カーボンナノチューブが「宇宙エレベーター」のケーブルを作るための最良の材料候補であると考えています。

もちろん、現在の技術的なボトルネックは、巨視的な材料内で個々のカーボン ナノチューブの優れた性能を再現する方法にあります。これは世界中の科学者が克服しようと取り組んでいる難しい問題です。

4. Tanfeng 新素材がこの「スーパー素材」を生み出すまで

Shandong Tanfeng New Materials Technology Co., Ltd. は、カーボン ナノチューブの優れた機械的特性を大量生産可能な製品に変換し、「スーパーマテリアル」を実験室から引き出しています。-

理論は別のことですが、カーボン ナノチューブの「超能力」を実際の製品に真に適用するには、企業が大規模な生産技術を習得する必要があります。-

山東丹豊新材料技術有限公司はまさにそのような会社です。

それは何をするのですか？同社は、カーボン ナノチューブ粉末、導電性ペースト、シリコン カーボン アノード材料の研究開発と生産に重点を置いています。{0}同社の製品は、単層カーボン ナノチューブおよび多層カーボン ナノチューブの全範囲をカバーしています。-

その技術力はどのようなものなのでしょうか？

カーボンナノチューブに関連する有効な特許を 10 件以上保有しています。

アーク放電、レーザーアブレーション、化学蒸着（CVD）などのさまざまな準備プロセスを習得します。

製品純度 98% 以上。粉末の粒径は 5 ～ 15 μm に達することがあります。

月間生産量は200トンに達し、すでに量産化されています。

カーボンナノチューブの機械的特性はどこに適用されますか?Tanfeng のカーボン ナノチューブ製品の理論上のヤング率は 5 TPa に達し、強度は鋼の約 100 倍、密度は鋼のわずか 1/6 です。この優れた機械的特性は以下の分野で活用されています。

同社は国家の新エネルギー・新素材開発戦略を厳守し、全国に事業範囲を広げ、「先端素材プロバイダーおよび技術サービスプロバイダー」を目指している。

一文の要約:{0}科学者たちはカーボンナノチューブが「スーパーファイバー」であることを実験室で証明しているが、Tanfeng New Materialsのような企業はカーボンナノチューブを購入できる製品に変えている。

結論: どちらが難しいですか?答えは「ハード」をどう定義するかによって決まります

最終的な結論は次のとおりです。

従来の意味での「耐摩耗性」では、ダイヤモンドとカーボン ナノチューブにはそれぞれ利点があります。しかし、「総合的な機械的特性」-、特に引張強さ、靱性、比強度の点では、- カーボン ナノチューブが議論の余地のない王様です。

ダイヤモンドは「地球上で最も硬い天然鉱物」ですが、カーボンナノチューブは「人間が作った最も強い繊維」です。

ある材料科学者はこう言いました。「ダイヤモンドは過去の王であり、カーボン ナノチューブは未来の礎である。」

そして、この未来の材料が山東丹豊社によって大量生産されているので、カーボン ナノチューブの時代が到来したと言えます。{0}