Karşılaştırmaya başlamadan önce, bu iki malzemenin temel farkını anlamak kritik öneme sahiptir.
Grafen: Bal peteği örgüsünde, tek atom kalınlığında, iki boyutlu (2D) bir karbon levhasıdır. Onu bir kağıt parçası gibi düşünebilirsiniz.
Karbon Nanotüp (CNT): Aynı grafen levhasının, kendi üzerine sarılarak oluşturulmuş, dikişsiz bir silindiridir. Yani, tek boyutlu (1D) bir yapıdır. Onu da ince bir iplik veya fiber gibi düşünebilirsiniz.
Bu temel geometrik fark, kompozit içindeki davranışlarını ve performanslarını doğrudan etkiler.
Hem grafen hem de CNT'ler, çelikten yüzlerce kat daha güçlüdür ve kompozitlerin mukavemetini ve sertliğini artırmak için kullanılırlar.
Grafen: 2D yapısı sayesinde, matris içinde bir "zırh plakası" gibi davranır. Geniş yüzey alanı, yükü çok verimli bir şekilde dağıtır ve çatlakların ilerlemesi için neredeyse aşılmaz bir bariyer oluşturur. Özellikle düzlemsel gerilmelere ve darbe direncine karşı mükemmel bir takviye sağlar.
Karbon Nanotüp: Yüksek en-boy oranına sahip fiber benzeri yapısı, matris içinde bir "inşaat demiri" ağı gibi çalışır. Özellikle çekme ve bükülme dayanımını artırmada son derece etkilidir. Yükü, fiberler boyunca verimli bir şekilde aktarır.
Karşılaştırma:
Kazanan (Genel): Berabere. Uygulamaya bağlıdır.
Çekme Dayanımı için: CNT'ler genellikle daha iyi performans gösterir.
Tokluk ve Çatlak Direnci için: Grafenin 2D yapısı genellikle daha etkilidir.
Polimerleri yalıtkanlıktan iletkenliğe taşımak, her iki malzemenin de en iddialı olduğu alanlardan biridir. İletkenlik, "perkolasyon ağı" oluşturma yeteneklerine bağlıdır.
Grafen: Geniş levha yapısı, daha düşük konsantrasyonlarda bile parçacıkların birbirine temas etme olasılığını artırır. Bu, genellikle daha düşük bir perkolasyon eşiğine sahip olduğu anlamına gelir. Yani, aynı iletkenliği sağlamak için daha az grafen yeterli olabilir.
Karbon Nanotüp: Fiber yapısı, noktadan noktaya uzun mesafeli iletken yollar oluşturmak için idealdir. Özellikle malzemenin belirli bir yönde (anizotropik) iletken olması istendiğinde avantajlıdır.
Karşılaştırma:
Kazanan (Düşük Konsantrasyon): Grafen.
Yönlü İletkenlik için: Karbon Nanotüp.
Pratikte: Her ikisi de mükemmel sonuçlar verir ve seçim genellikle dağılım kolaylığına ve maliyete bağlıdır.
Isıyı verimli bir şekilde dağıtmak, elektronik ve yüksek performanslı uygulamalar için kritiktir.
Grafen: 2D yapısı, ısı enerjisinin (fononlar) yüzeyi boyunca hızla yayılması için mükemmel bir "otoyol" sunar. Düzlem içi termal iletkenliği olağanüstüdür.
Karbon Nanotüp: Isıyı, tüp ekseni boyunca çok verimli bir şekilde iletir.
Karşılaştırma:
Kazanan: Grafen. Genellikle, grafenin 2D düzlemde ısıyı dağıtma yeteneği, kompozit içindeki rastgele dağılımda daha homojen bir termal yönetim sağlar. Ancak her ikisi de polimerlerin termal iletkenliğini katbekat artırır.
Bu, belki de en kritik pratik farktır. Bir nanomalzemenin teorik özellikleri ne kadar iyi olursa olsun, polimer matris içinde homojen bir şekilde dağıtılamazsa, performansı düşer.
Grafen: Güçlü van der Waals kuvvetleri nedeniyle levhalar birbirine yapışma ve yeniden grafit gibi topaklanma eğilimindedir. Bunu önlemek için genellikle yüzey modifikasyonu veya grafen oksit (GO) gibi türevleri kullanılır.
Karbon Nanotüp: Tıpkı grafen gibi, CNT'ler de birbirine dolanma ve "yumak" oluşturma eğilimindedir. Bu yumakları açmak ve tek tek dağıtmak zordur.
Karşılaştırma:
Kazanan: Yok. Her ikisinin de dağılımı zordur ve bu, nanokompozit üretimindeki en büyük mühendislik sorunudur. Çözüm, genellikle malzemenin yüzeyini kimyasal olarak modifiye etmekten (fonksiyonlandırma) geçer.
Grafen: Üretim yöntemleri çeşitlidir (CVD, kimyasal eksfoliasyon vb.). Yüksek kaliteli, tek katmanlı CVD grafen pahalıyken, grafen oksitten elde edilen daha düşük kaliteli grafen nanoplateletler daha ekonomiktir.
Karbon Nanotüp: Yıllardır endüstriyel ölçekte üretilmektedir ve genellikle yüksek hacimli üretimde grafen nanoplateletlerden daha uygun maliyetli olabilir.
Karşılaştırma:
Kazanan (Şu an için): Karbon Nanotüp. Büyük ölçekli ve endüstriyel uygulamalar için CNT'ler genellikle daha olgun ve ekonomik bir teknoloji olarak kabul edilir. Ancak grafen üretim teknolojileri hızla gelişmektedir.
Sonuç olarak, "Grafen mi daha iyi, Karbon Nanotüp mü?" sorusunun tek bir doğru cevabı yoktur. Seçim, tamamen hedeflenen uygulamaya ve istenen özelliğe bağlıdır.
Dahası, geleceğin en umut verici malzemeleri, bu ikisini rakip olarak değil, bir takımın oyuncuları olarak gören hibrit kompozitler olabilir. CNT'lerin fiber benzeri yapısının grafenin levha benzeri yapısıyla bir araya geldiği, hem çekme dayanımı hem de çatlak direncinde zirve yapan, üç boyutlu, sinerjik bir takviye ağı hayal edin. Karbonun bu iki harika yüzü, birlikte çalıştıklarında malzeme biliminin sınırlarını yeniden çizecek güce sahiptir.
