人类生长。急速
新材料的时代即将到来
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碳世纪的宣言

2010:
为什么人类只有1/4个世纪来改变其技术圈?

技术。史前

约13000年前,人类从采集转向生产。

新石器革命帮助我们的种族保护自身、竞争和在野外生存。

250年前发生工业革命。

转变至机器生产,使人类将生产率提高数倍,超越了人体的能力。

文明开启了生产发展的滚雪球式增长过程。

文明的突破

最近的科技革命,仅仅始于20世纪下半叶。在这段短暂的时期内,按历史标准来看,科技发现和发明数以百万计。

数十年间,人类文明发生巨变。

此前困扰人类数千年的主要问题,在很短时间得以解决。

在婴儿死亡率和传染病方面的胜利,使人类寿命增加一倍(1900年英格兰人的寿命 为38岁,而2011年为 81岁)..
使用化肥和农药,通过培育高产品种的植物和物种(“绿色革命”),解决了饥饿和粮食短缺的问题(1845-1849年爱尔兰有35万人仅仅因为马铃薯作物无收成而死亡)..
现代交通的发展使货运更方便,旅行已成为普遍现象。世界实现物理统一。
最后,数字化革命解决了通信问题。信息交流具有普遍性和瞬时性。世界最终达到全球化和统一性。
所有这一切都刚刚发生。
按历史标准—只有现在。

人口增长

后工业革命的成果改善把生活条件,导致了世界人口的直线上升。

从产生第一个定居点以来,地球人口在13000年内缓慢增长,在1804年仅达到10亿,而2011年至2025年之间,人口从70亿增至80亿,增量同样为10亿。

人口,
百万人
  1. 1500
    446
  2. 1600
    486
  3. 1750
    791
  4. 1850
    1262
  5. 1950
    1490
  6. 1960
    2480
  7. 1970
    3000
  8. 1980
    3750
  9. 1990
    4480
  10. 2000
    5280
  11. 2010
    6090
  12. 2030
    8360
  13. 2050
    9010
2011年至2025年,人口从70亿增至80亿,增量为10亿人。

生产量和能源增长

在过去15年中,
材料产量增加一倍

发展中国家的人口激增和人民改善生活的欲望,使人类的基础材料产量显着增加。

即使根据最保守的预测,过去的15年中,材料生产产量翻番,在未来15年还将翻番,这将在未来25年内发生。到2040年,全球每年将生产300亿吨材料。

1980
3 000 000 000
吨材料
2000
7 500 000 000
吨材料
2020
15 000 000 000
吨材料
2040
30 000 000 000
吨材料
除了材料,
人类还需要能源。
我们从生物圈获取的物质
  • 200 亿吨
    氧气
  • 80 亿吨煤
  • 10 亿吨气
  • 10 亿吨木
    材燃料
  • 10 亿吨油
我们向生物圈排放的物质
  • 280 亿吨
    CO2
  • 30 亿吨
    尘埃
4
CO2
400 每年人
均产生
尘埃

根本矛盾

材料需求
能源需求
生物圈的破坏
能源短缺

如今,人类文明在历史上第一次出现内在冲突。对材料和能源的基本需求已经引发主要威胁 – 对这颗星球的生物圈和气候变化造成不可逆转的破坏。

地球上的资源不足以确保现代文明为地球上的所有居民带来好处。

在未来30年内,是否有可能创造一个能为9 0亿人提供住房、交通、通讯等现代文明优势的技术圈2.0,同时将生产原材料和能源产量降低两倍?
可以
这需要使所有基础材料的特定属性提高4倍(即与重量相关的属性“属性/重量”)。
20%
一辆汽车的有效载荷
10%
一架飞机10%的有效载荷
2%
一座桥梁2%的有效载荷
0.3%
一栋建筑物0.3%的有效载荷

技术解决方案—超级复合材料

无法快速创建产量达数十亿吨的基础设施—没有时间、可利用资源、政治意愿、知识和资金。这就是重新考虑的材料生产2.0的基础设施应使用人类积累的所有设施的原因。

能否创建此类技术?
可通过合成超复合材料创建。
对由两种具有显著差异和互补属性的组分构成的材料进行复合。
钢筋混凝土
用混凝土+
钢加固
橡胶材料
橡胶物质+
炭黑
玻璃纤维
玻璃纤维+
环氧树脂
CFRP
碳纤维+
环氧树脂

若组分具有完美的匹配性,则最终产品的属性,是与组分质量成正比的组分属性的平均值。

增加1%,可使其他产品的强度增加3倍

如果打算用具有4倍耐久性的复合物更换材料,则其组分中应包括相同重量的加强组分,其强度值提高8倍。

如果要通过1%硬化添加剂将原始材料性能提高4倍,该添加剂的强度应为原始材料的400倍。

从概念上讲,该方法适合于所有性能—强度、导热性和导电性等。

常用添加剂。性能

在所有人类已知的物质中,仅有碳纳米管和最近开发的石墨烯可作为此类添加剂。

超级材料
极限强度
低比重
导电性和导热性突破记录
比表面积巨大
化学惰性
热稳定性
能形成含有多种物质的化合物
可扩展技术
无毒组分
可扩展技术
无毒废料
能耗最小
经济上和物理上均可用的原料
安全工艺流程

SWCNT单层碳纳米管

今天,由于诺贝尔文学奖很可能被授予石墨烯的发现者,因此其时代才刚刚开始。与此同时,在过去20年中,众多事实表明了引入SWNT的效率和知识。已经进行了成千上万次实验(参考编号)。在过去10年中,已注册专利超过10000项。成千上万的科学出版物已证实纳米管:

强度比钢材
高100倍
世界上最好的导体之一
具有热稳定性(超过1000°С)
长径比(1000 000倍)突破纪录
表面积大(1g纳米管的表面积等于2个篮球场)

对于我们的文明,大量研发工作已经证实的最重要事实如下:单层碳纳米管是一种真正的多用途添加剂。

为什么人类文明不采用所有这些可能性?
价格高
每kg单层碳纳米管的价格为100 000美元—超出经济可行性(铝为2美元/kg),该价格极其昂贵
非扩展性技术
1吨的全球产量是远远不够的。
一切都将很快改变。

碳纳米管将具有可用性,并将进行工业生产,从而替代世界上的大多数材料在。

文明可以克服挑战!
材料世界将会有全新的改变。
欢迎来到碳世纪!