Въглеродът е един от най-разпространените елементи в природата, обхващащ свойствата на почти всички вещества, открити на Земята. Той проявява широк спектър от характеристики, като различна твърдост и мекота, поведение изолация-полупроводник-свръхпроводник, топлоизолация-свръхпроводимост и поглъщане на светлина-пълна прозрачност. Сред тях материалите с sp2 хибридизация са основните членове на семейството на въглеродните материали, включително графит, въглеродни нанотръби, графен, фулерени и аморфен стъклен въглерод.
Проби от графит и стъклен въглерод
Въпреки че предишните материали са добре познати, нека днес се съсредоточим върху стъкления въглерод. Стъкленият въглерод, известен още като стъклен въглерод или стъкловиден въглерод, съчетава свойствата на стъклото и керамиката в неграфитен въглероден материал. За разлика от кристалния графит, той е аморфен въглероден материал, който е почти 100% sp2-хибридизиран. Стъкленият въглерод се синтезира чрез високотемпературно синтероване на прекурсорни органични съединения, като фенолни смоли или смоли с фурфурилов алкохол, в атмосфера на инертен газ. Неговият черен външен вид и гладка стъклена повърхност му спечелиха името „стъклен въглерод“.
От първия си синтез от учени през 1962 г. структурата и свойствата на стъкловидния въглерод са широко изследвани и остават гореща тема в областта на въглеродните материали. Стъкленият въглерод може да бъде класифициран в два типа: стъкловъглерод тип I и тип II. Стъкленият въглерод тип I се синтерува от органични прекурсори при температури под 2000°C и се състои главно от произволно ориентирани навити графенови фрагменти. Стъкловидният въглерод тип II, от друга страна, се синтерува при по-високи температури (~2500°C) и образува аморфна многослойна триизмерна матрица от самосглобяващи се фулереноподобни сферични структури (както е показано на фигурата по-долу).
Представяне на стъклена въглеродна структура (вляво) и електронно микроскопско изображение с висока разделителна способност (вдясно)
Скорошни изследвания установиха, че стъкловидният въглерод тип II показва по-висока свиваемост от тип I, което се дължи на неговите самосглобени сферични структури, подобни на фулерен. Въпреки леките геометрични разлики, както тип I, така и тип II стъкловъглеродни матрици са по същество съставени от неподреден навит графен.
Приложения на стъклен въглерод
Стъкленият въглерод притежава множество изключителни свойства, включително ниска плътност, висока твърдост, висока якост, висока непропускливост за газове и течности, висока термична и химическа стабилност, което го прави широко приложим в индустрии като производство, химия и електроника.
01 Приложения при високи температури
Стъкленият въглерод проявява висока температурна устойчивост в среда с инертен газ или вакуум, издържаща на температури до 3000°C. За разлика от други керамични и метални високотемпературни материали, здравината на стъкловъглерода се увеличава с температурата и може да достигне до 2700K, без да стане крехък. Той също така притежава ниска маса, ниска абсорбция на топлина и ниско топлинно разширение, което го прави подходящ за различни високотемпературни приложения, включително защитни тръби за термодвойки, системи за зареждане и компоненти на пещи.
02 Химически приложения
Поради високата си устойчивост на корозия, стъкловидният въглерод намира широко приложение в химичния анализ. Оборудването, направено от стъкловъглерод, предлага предимства пред конвенционалните лабораторни апарати, направени от платина, злато, други устойчиви на корозия метали, специална керамика или флуоропластмаси. Тези предимства включват устойчивост на всички мокри разлагащи агенти, липса на ефект на паметта (неконтролирана адсорбция и десорбция на елементи), липса на замърсяване на анализираните проби, устойчивост на киселини и алкални стопилки и непореста стъклена повърхност.
03 Зъботехника
Тигелите от стъклен въглерод обикновено се използват в денталната техника за топене на благородни метали и титанови сплави. Те предлагат предимства като висока топлопроводимост, по-дълъг живот в сравнение с графитните тигли, липса на адхезия на разтопени благородни метали, устойчивост на термичен удар, приложимост за всички благородни метали и титанови сплави, използване в центрофуги за индукционно леене, създаване на защитна атмосфера върху разтопени метали, и елиминиране на необходимостта от поток.
Използването на стъклени въглеродни тигели намалява времето за нагряване и топене и позволява нагревателните бобини на топилния модул да работят при по-ниски температури от традиционните керамични контейнери, като по този начин намалява времето, необходимо за всяка отливка и удължава живота на тигела. Освен това неговата ненамокряемост елиминира опасенията за загуба на материал.
04 Полупроводникови приложения
Стъкленият въглерод със своята висока чистота, изключителна устойчивост на корозия, липса на генериране на частици, проводимост и добри механични свойства е идеален материал за производство на полупроводници. Тигели и лодки, направени от стъклен въглерод, могат да се използват за зоново топене на полупроводникови компоненти, като се използват методите на Бриджман или Чохралски, синтез на галиев арсенид и монокристален растеж. Освен това стъкленият въглерод може да служи като компоненти в системи за имплантиране на йони и електроди в системи за плазмено ецване. Неговата висока рентгенова прозрачност също прави стъклените въглеродни чипове подходящи за субстрати за рентгенови маски.
В заключение, стъкловидният въглерод предлага изключителни свойства, които включват устойчивост на висока температура, химическа инертност и отлични механични характеристики, което го прави подходящ за широк спектър от приложения в различни индустрии.
Свържете се със Semicera за персонализирани стъклени въглеродни продукти.
Имейл:sales05@semi-cera.com
Време на публикуване: 18 декември 2023 г