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像玻璃,也像陶瓷:玻璃碳的奇妙应用
2021年01月13日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:197
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碳是自然界中最常见的元素之一,它几乎包括了地球上所有物质所具有的性质,如最硬-最软、绝缘体-半导体-超导体、绝热-超导热、吸光-全透光等。其中,sp2杂化的材料是碳材料家族中的主要成员,常见的有石墨、碳纳米管、石墨烯、富勒烯以及无序的玻璃碳等。

玻璃碳

石墨立方体左下玻璃碳样品

前面几种大家都非常了解了,今天主要聊聊玻璃碳。查阅资料得知,玻璃碳(glassy carbon,简称玻碳)是结合了玻璃和陶瓷的属性的非石墨化碳。与晶态的石墨相反,它是一种无定形的、近100% sp2杂化的碳材料,其是由聚合有机物前驱体,例如酚醛树脂、糠醇树脂等,在惰性气体氛围下高温烧结而成的。因其通体呈黑色,表面光滑类似玻璃,故将其称为玻璃碳。

1962年科学家首次合成出玻璃碳以来,关于玻璃碳的结构与性质的研究一直是碳材料领域热议的话题。玻璃碳可以分为两类,I型和II型玻璃碳。I型玻璃碳是聚合有机物在温度低于2000°C条件下烧结形成的,其内部主要由取向无序的卷曲石墨烯碎片构成;II型玻璃碳是在更高的温度(~2500°C)下烧结而成的,其是由纳米尺度自组装的富勒烯状类球体结构堆垛形成的无序多层石墨烯三维矩阵(如下图所示)。

玻璃

玻璃碳结构示意图(左)与高分辨电镜照片(右)

最近的研究发现II型玻璃相较于I型有更高的压缩系数,这与其内部自组装的富勒烯状类球体结构有重要关系。除去细微的几何构型的差别,I型和II型玻璃碳其实本质上都是由无序的卷曲石墨烯构成的矩阵。

玻璃碳的应用

玻璃碳具有众多优异的性能,包括低密度、高硬度、高强度、高不渗透性(气体和液体)、高热稳性和化学稳定性等,这也使得玻璃碳在工业、化工、电子等领域有着广泛的应用。

1.高温应用

玻璃碳在高达3000°C的惰性气体或真空中具有较高的耐高温性,而且与所有其他陶瓷和金属高温材料不同,玻璃碳的强度会随着温度的升高而增加,最高可达2700K,而且不会脆化,具有极高的抗热震性,因此短时间的加热和冷却时间都是没有问题的。此外,玻璃碳还具有低质量,低吸热和低热膨胀,因此几乎适用于所有高温应用,典型代表有高温计保护管,装料系统和高温炉的零件等。

2.化学应用

由于玻璃碳具有很高的耐腐蚀性,因此非常适用于化学分析。与用铂,金和其他耐腐蚀金属,特殊陶瓷和氟塑料制成的常规实验室设备相比,采用玻璃碳制造的设备具有以下优点:耐所有湿分解剂、无记忆效应(不受控制的元素吸附和解吸)、分析样品无污染、耐酸和碱熔体、无孔玻璃状表面。

3.牙科技术

牙科技术中常使用玻璃碳熔化坩埚来熔化贵金属和钛合金,具有以下优势:高导热率、使用寿命比石墨坩埚更长、贵金属熔体无附着力、耐热冲击、适用于所有贵金属和钛合金、用于感应加热铸造离心机、在金属熔体上产生保护气氛、无需熔盐等。

使用玻璃碳熔化坩埚,可以缩短加热和熔化时间,且熔化单元的电加热线圈可以在比传统陶瓷容器低的温度下运行,因此不仅减少了每次铸造所需的时间,还延长了坩埚的寿命。另外,它的不润湿性也消除了材料损失的问题。

玻璃碳

4.半导体类

玻璃碳具有高纯度、极高的耐腐蚀性,不产生颗粒、导电性和良好的机械性能,因此是半导体生产的理想材料,以它为原材料制成的坩埚和舟皿可用于通过Bridgman或Czochralsky方法对半导体组件进行区域熔化,砷化镓合成以及单晶生长。除此之外,玻璃碳还可作为于离子注入系统的零件和等离子蚀刻系统的电极,高X射线透射率的特性也使得玻碳晶片可被用作X射线掩模的基材。

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