Carbonul este unul dintre cele mai comune elemente din natură, cuprinzând proprietățile aproape tuturor substanțelor găsite pe Pământ. Prezintă o gamă largă de caracteristici, cum ar fi duritatea și moliciunea variate, comportamentul izolației-semiconductor-superconductor, izolarea termică-superconductivitate și absorbția luminii-transparență completă. Printre acestea, materialele cu hibridizare sp2 sunt membrii principali ai familiei de materiale de carbon, inclusiv grafitul, nanotuburi de carbon, grafenul, fulerenele și carbonul sticlos amorf.
Probe de grafit și carbon sticlos
În timp ce materialele anterioare sunt binecunoscute, să ne concentrăm astăzi pe carbonul sticlos. Carbonul sticlos, cunoscut și sub numele de carbon sticlos sau carbon vitros, combină proprietățile sticlei și ceramicii într-un material de carbon negrafitic. Spre deosebire de grafitul cristalin, este un material de carbon amorf care este hibridizat aproape 100% cu sp2. Carbonul sticlos este sintetizat prin sinterizarea la temperatură înaltă a compușilor organici precursori, cum ar fi rășinile fenolice sau rășinile cu alcool furfurilic, sub atmosferă de gaz inert. Aspectul său negru și suprafața netedă asemănătoare sticlei i-au adus numele de „carbon sticlos”.
De la prima sa sinteză de către oamenii de știință în 1962, structura și proprietățile carbonului sticlos au fost studiate pe larg și rămân un subiect fierbinte în domeniul materialelor carbonice. Carbonul sticlos poate fi clasificat în două tipuri: carbonul sticlos de tip I și de tip II. Carbonul sticlos de tip I este sinterizat din precursori organici la temperaturi sub 2000°C și constă în principal din fragmente de grafen ondulate orientate aleatoriu. Carbonul sticlos de tip II, pe de altă parte, este sinterizat la temperaturi mai ridicate (~2500°C) și formează o matrice tridimensională multistratificată amorfă de structuri sferice auto-asamblate asemănătoare fullerenei (după cum se arată în figura de mai jos).
Reprezentarea structurii carbonului sticlos (stânga) și imaginea microscopiei electronice de înaltă rezoluție (dreapta)
Cercetări recente au descoperit că carbonul sticlos de tip II prezintă o compresibilitate mai mare decât tipul I, care este atribuită structurilor sale sferice auto-asamblate asemănătoare fullerenei. În ciuda diferențelor geometrice ușoare, atât matricele de carbon sticlos de tip I, cât și de tip II sunt compuse în esență din grafen ondulat dezordonat.
Aplicații ale carbonului sticlos
Carbonul sticlos posedă numeroase proprietăți remarcabile, inclusiv densitate scăzută, duritate ridicată, rezistență ridicată, impermeabilitate ridicată la gaze și lichide, stabilitate termică și chimică ridicată, ceea ce îl face aplicabil pe scară largă în industrii precum producția, chimia și electronica.
01 Aplicații la temperatură înaltă
Carbonul sticlos prezintă rezistență la temperaturi ridicate în medii cu gaz inert sau vid, rezistând la temperaturi de până la 3000°C. Spre deosebire de alte materiale ceramice și metalice la temperaturi înalte, rezistența carbonului sticlos crește odată cu temperatura și poate ajunge până la 2700K fără a deveni casantă. De asemenea, posedă o masă mică, o absorbție scăzută de căldură și o expansiune termică scăzută, făcându-l potrivit pentru diverse aplicații la temperatură înaltă, inclusiv tuburi de protecție a termocuplurilor, sisteme de încărcare și componente ale cuptorului.
02 Aplicații chimice
Datorită rezistenței sale mari la coroziune, carbonul sticlos este utilizat pe scară largă în analiza chimică. Echipamentele realizate din carbon sticlos oferă avantaje față de aparatele convenționale de laborator realizate din platină, aur, alte metale rezistente la coroziune, ceramică specială sau fluoroplastice. Aceste avantaje includ rezistența la toți agenții de descompunere umezi, lipsa efectului de memorie (adsorbția și desorbția necontrolată a elementelor), lipsa de contaminare a probelor analizate, rezistența la acizi și topituri alcaline și o suprafață sticloasă neporoasă.
03 Tehnologie dentară
Crezetele de carbon sticlos sunt utilizate în mod obișnuit în tehnologia dentară pentru topirea metalelor prețioase și a aliajelor de titan. Acestea oferă avantaje precum conductivitate termică ridicată, durată de viață mai lungă în comparație cu creuzetele de grafit, lipsa aderenței metalelor prețioase topite, rezistența la șoc termic, aplicabilitatea la toate metalele prețioase și aliajele de titan, utilizarea în centrifugele de turnare prin inducție, crearea de atmosfere protectoare peste metalele topite, și eliminarea nevoii de flux.
Utilizarea creuzetelor de carbon sticlos reduce timpii de încălzire și topire și permite serpentinelor de încălzire ale unității de topire să funcționeze la temperaturi mai scăzute decât recipientele ceramice tradiționale, scăzând astfel timpul necesar pentru fiecare turnare și prelungind durata de viață a creuzetului. Mai mult decât atât, non-umecbilitatea sa elimină problemele legate de pierderea materialului.
04 Aplicații semiconductoare
Carbonul sticlos, cu puritatea sa ridicată, rezistența excepțională la coroziune, absența generării de particule, conductivitatea și proprietățile mecanice bune, este un material ideal pentru producția de semiconductori. Creuzetele și bărcile fabricate din carbon sticlos pot fi folosite pentru topirea zonei a componentelor semiconductoare folosind metodele Bridgman sau Czochralski, sinteza arseniurei de galiu și creșterea unui singur cristal. În plus, carbonul sticlos poate servi ca componente în sistemele de implantare ionică și electrozi în sistemele de gravare cu plasmă. Transparența sa ridicată pentru raze X face ca cipurile de carbon sticloase să fie potrivite pentru substraturile de măști cu raze X.
În concluzie, carbonul sticlos oferă proprietăți excepționale care includ rezistență la temperaturi ridicate, inerție chimică și performanțe mecanice excelente, făcându-l potrivit pentru o gamă largă de aplicații în diverse industrii.
Contactați Semicera pentru produse personalizate din sticlă carbon.
E-mail:sales05@semi-cera.com
Ora postării: 18-12-2023