Węgiel jest jednym z najpowszechniejszych pierwiastków w przyrodzie, obejmującym właściwości niemal wszystkich substancji występujących na Ziemi.Wykazuje szeroki zakres właściwości, takich jak różna twardość i miękkość, zachowanie izolacji-półprzewodnika-nadprzewodnika, nadprzewodnictwo izolacji cieplnej i całkowita przezroczystość pochłaniania światła.Wśród nich głównymi członkami rodziny materiałów węglowych są materiały z hybrydyzacją sp2, w tym grafit, nanorurki węglowe, grafen, fulereny i amorficzny węgiel szklisty.
Próbki grafitu i węgla szklistego
O ile poprzednie materiały są dobrze znane, dziś skupmy się na węglu szklistym.Węgiel szklisty, znany również jako węgiel szklisty lub węgiel szklisty, łączy właściwości szkła i ceramiki w niegraficzny materiał węglowy.W przeciwieństwie do grafitu krystalicznego jest to amorficzny materiał węglowy, który jest prawie w 100% hybrydyzowany sp2.Węgiel szklisty syntetyzuje się poprzez spiekanie w wysokiej temperaturze prekursorowych związków organicznych, takich jak żywice fenolowe lub żywice z alkoholem furfurylowym, w atmosferze gazu obojętnego.Czarny wygląd i gładka, przypominająca szkło powierzchnia zapewniły mu miano „szklistego węgla”.
Od czasu pierwszej syntezy przeprowadzonej przez naukowców w 1962 r. struktura i właściwości węgla szklistego były szeroko badane i pozostają gorącym tematem w dziedzinie materiałów węglowych.Węgiel szklisty można podzielić na dwa typy: węgiel szklisty typu I i typu II.Węgiel szklisty typu I jest spiekany z prekursorów organicznych w temperaturach poniżej 2000°C i składa się głównie z losowo zorientowanych, zwiniętych fragmentów grafenu.Z kolei węgiel szklisty typu II jest spiekany w wyższych temperaturach (~2500°C) i tworzy amorficzną wielowarstwową trójwymiarową matrycę samoorganizujących się kulistych struktur przypominających fulereny (jak pokazano na poniższym rysunku).
Reprezentacja struktury węgla szklistego (po lewej) i obraz z mikroskopu elektronowego o wysokiej rozdzielczości (po prawej)
Niedawne badania wykazały, że węgiel szklisty typu II wykazuje wyższą ściśliwość niż węgiel typu I, co przypisuje się jego samoorganizującym się kulistym strukturom przypominającym fulereny.Pomimo niewielkich różnic geometrycznych, matryce z węgla szklistego typu I i typu II składają się zasadniczo z nieuporządkowanego, zwiniętego grafenu.
Zastosowania węgla szklistego
Węgiel szklisty posiada wiele wyjątkowych właściwości, w tym niską gęstość, wysoką twardość, wysoką wytrzymałość, wysoką nieprzepuszczalność dla gazów i cieczy, wysoką stabilność termiczną i chemiczną, co sprawia, że ma szerokie zastosowanie w takich gałęziach przemysłu jak produkcja, chemia i elektronika.
01 Zastosowania wysokotemperaturowe
Węgiel szklisty wykazuje odporność na wysoką temperaturę w środowisku gazu obojętnego lub próżni, wytrzymując temperatury do 3000°C.W przeciwieństwie do innych materiałów ceramicznych i metalowych wysokotemperaturowych, wytrzymałość węgla szklistego wzrasta wraz z temperaturą i może osiągnąć nawet 2700 K bez stania się kruchym.Ma również niską masę, niską absorpcję ciepła i niską rozszerzalność cieplną, dzięki czemu nadaje się do różnych zastosowań wysokotemperaturowych, w tym rur ochronnych termopar, systemów załadunkowych i elementów pieców.
02 Zastosowania chemiczne
Ze względu na wysoką odporność na korozję węgiel szklisty znajduje szerokie zastosowanie w analizie chemicznej.Sprzęt wykonany z węgla szklistego ma przewagę nad konwencjonalną aparaturą laboratoryjną wykonaną z platyny, złota, innych metali odpornych na korozję, specjalnej ceramiki lub tworzyw fluorowych.Zaletami tymi są odporność na wszystkie mokre czynniki rozkładu, brak efektu pamięci (niekontrolowana adsorpcja i desorpcja pierwiastków), brak zanieczyszczeń analizowanych próbek, odporność na kwasy i roztopione zasady oraz nieporowata szklista powierzchnia.
03 Technologia dentystyczna
Tygle z węgla szklistego są powszechnie stosowane w technice dentystycznej do topienia metali szlachetnych i stopów tytanu.Oferują takie zalety jak wysoka przewodność cieplna, dłuższa żywotność w porównaniu do tygli grafitowych, brak przyczepności stopionych metali szlachetnych, odporność na szok termiczny, możliwość zastosowania do wszystkich metali szlachetnych i stopów tytanu, zastosowanie w wirówkach odlewniczych indukcyjnych, tworzenie atmosfer ochronnych nad stopionymi metalami, i eliminacja konieczności stosowania strumienia.
Zastosowanie tygli z węgla szklistego skraca czas nagrzewania i topienia oraz umożliwia pracę cewek grzejnych jednostki topiącej w niższych temperaturach niż w przypadku tradycyjnych pojemników ceramicznych, skracając w ten sposób czas wymagany do każdego odlewu i wydłużając żywotność tygla.Co więcej, jego niezwilżalność eliminuje obawy o straty materiału.
04 Zastosowania półprzewodników
Węgiel szklisty, charakteryzujący się wysoką czystością, wyjątkową odpornością na korozję, brakiem wytwarzania cząstek, przewodnością i dobrymi właściwościami mechanicznymi, jest idealnym materiałem do produkcji półprzewodników.Tygle i łódki wykonane z węgla szklistego można stosować do strefowego topienia elementów półprzewodnikowych metodą Bridgmana lub Czochralskiego, syntezy arsenku galu i wzrostu monokryształów.Dodatkowo węgiel szklisty może służyć jako komponenty w systemach implantacji jonów oraz jako elektrody w systemach trawienia plazmowego.Wysoka przezroczystość promieniowania rentgenowskiego sprawia, że wióry węgla szklistego nadają się również na podłoża masek rentgenowskich.
Podsumowując, węgiel szklisty oferuje wyjątkowe właściwości, które obejmują odporność na wysoką temperaturę, obojętność chemiczną i doskonałe właściwości mechaniczne, dzięki czemu nadaje się do szerokiego zakresu zastosowań w różnych gałęziach przemysłu.
Skontaktuj się z firmą Semicera, aby uzyskać niestandardowe produkty ze szkła węglowego.
E-mail:sales05@semi-cera.com
Czas publikacji: 18 grudnia 2023 r