Koolstof is een van de meest voorkomende elementen in de natuur en omvat de eigenschappen van bijna alle stoffen die op aarde voorkomen. Het vertoont een breed scala aan kenmerken, zoals variërende hardheid en zachtheid, isolatie-halfgeleider-supergeleidergedrag, warmte-isolatie-supergeleiding en lichtabsorptie-volledige transparantie. Hiervan zijn materialen met sp2-hybridisatie de belangrijkste leden van de familie van koolstofmaterialen, waaronder grafiet, koolstofnanobuisjes, grafeen, fullerenen en amorfe glasachtige koolstof.
Grafiet- en glasachtige koolstofmonsters
Hoewel de voorgaande materialen bekend zijn, concentreren we ons vandaag op glasachtige koolstof. Glasachtige koolstof, ook wel glasachtige koolstof of glasachtige koolstof genoemd, combineert de eigenschappen van glas en keramiek tot een niet-grafitisch koolstofmateriaal. In tegenstelling tot kristallijn grafiet is het een amorf koolstofmateriaal dat bijna 100% sp2-gehybridiseerd is. Glasachtige koolstof wordt gesynthetiseerd door sinteren bij hoge temperatuur van organische precursorverbindingen, zoals fenolharsen of furfurylalcoholharsen, onder een atmosfeer van inert gas. Het zwarte uiterlijk en het gladde, glasachtige oppervlak leverden het de naam ‘glazige koolstof’ op.
Sinds de eerste synthese door wetenschappers in 1962 zijn de structuur en eigenschappen van glasachtige koolstof uitgebreid bestudeerd en blijven ze een hot topic op het gebied van koolstofmaterialen. Glasachtige koolstof kan in twee typen worden ingedeeld: Type I en Type II glasachtige koolstof. Type I glasachtige koolstof wordt gesinterd uit organische voorlopers bij temperaturen onder de 2000°C en bestaat voornamelijk uit willekeurig georiënteerde gekrulde grafeenfragmenten. Type II glasachtige koolstof daarentegen wordt gesinterd bij hogere temperaturen (~2500°C) en vormt een amorfe meerlaagse driedimensionale matrix van zelf-geassembleerde fullereenachtige bolvormige structuren (zoals weergegeven in de onderstaande figuur).
Weergave van de glazige koolstofstructuur (links) en elektronenmicroscopiebeeld met hoge resolutie (rechts)
Uit recent onderzoek is gebleken dat glasachtige koolstof van Type II een hogere samendrukbaarheid vertoont dan Type I, wat wordt toegeschreven aan de zelf-geassembleerde fullereenachtige bolvormige structuren. Ondanks kleine geometrische verschillen zijn zowel Type I als Type II glasachtige koolstofmatrices in wezen samengesteld uit ongeordend gekruld grafeen.
Toepassingen van glasachtige koolstof
Glasachtige koolstof bezit talrijke uitstekende eigenschappen, waaronder een lage dichtheid, hoge hardheid, hoge sterkte, hoge ondoordringbaarheid voor gassen en vloeistoffen, hoge thermische en chemische stabiliteit, waardoor het breed toepasbaar is in industrieën zoals productie, chemie en elektronica.
01 Toepassingen bij hoge temperaturen
Glasachtige koolstof vertoont een hoge temperatuurbestendigheid in inerte gas- of vacuümomgevingen en is bestand tegen temperaturen tot 3000°C. In tegenstelling tot andere keramische en metalen materialen voor hoge temperaturen, neemt de sterkte van glasachtige koolstof toe met de temperatuur en kan deze oplopen tot 2700 K zonder broos te worden. Het heeft ook een lage massa, lage warmteabsorptie en lage thermische uitzetting, waardoor het geschikt is voor verschillende toepassingen bij hoge temperaturen, waaronder thermokoppelbeschermingsbuizen, laadsystemen en ovencomponenten.
02 Chemische toepassingen
Vanwege zijn hoge corrosieweerstand wordt glasachtige koolstof uitgebreid gebruikt in chemische analyses. Apparatuur gemaakt van glasachtige koolstof biedt voordelen ten opzichte van conventionele laboratoriumapparatuur gemaakt van platina, goud, andere corrosiebestendige metalen, speciale keramiek of fluorkunststoffen. Deze voordelen omvatten weerstand tegen alle natte afbraakmiddelen, geen geheugeneffect (ongecontroleerde adsorptie en desorptie van elementen), geen verontreiniging van geanalyseerde monsters, weerstand tegen zuren en alkalische smeltingen, en een niet-poreus glasachtig oppervlak.
03 Tandtechniek
Glasachtige koolstofkroezen worden in de tandtechniek veel gebruikt voor het smelten van edele metalen en titaniumlegeringen. Ze bieden voordelen zoals een hoge thermische geleidbaarheid, een langere levensduur in vergelijking met grafietkroezen, geen hechting van gesmolten edelmetalen, weerstand tegen thermische schokken, toepasbaarheid op alle edele metalen en titaniumlegeringen, gebruik in inductiegietcentrifuges, creatie van beschermende atmosferen over gesmolten metalen, en eliminatie van de behoefte aan flux.
Het gebruik van glasachtige koolstofkroezen vermindert de verwarmings- en smelttijden en zorgt ervoor dat de verwarmingsspiralen van de smelteenheid op lagere temperaturen kunnen werken dan traditionele keramische containers, waardoor de tijd die nodig is voor elk gieten wordt verkort en de levensduur van de smeltkroes wordt verlengd. Bovendien elimineert de niet-bevochtigbaarheid de zorgen over materiaalverlies.
04 Halfgeleidertoepassingen
Glasachtige koolstof, met zijn hoge zuiverheid, uitzonderlijke corrosieweerstand, afwezigheid van deeltjesvorming, geleidbaarheid en goede mechanische eigenschappen, is een ideaal materiaal voor de productie van halfgeleiders. Kroezen en boten gemaakt van glasachtige koolstof kunnen worden gebruikt voor het zone-smelten van halfgeleidercomponenten met behulp van de Bridgman- of Czochralski-methoden, de synthese van galliumarsenide en de groei van één kristal. Bovendien kan glasachtige koolstof dienen als componenten in ionenimplantatiesystemen en elektroden in plasma-etssystemen. De hoge röntgentransparantie maakt glasachtige koolstofchips ook geschikt voor röntgenmaskersubstraten.
Concluderend biedt glasachtige koolstof uitzonderlijke eigenschappen, waaronder hoge temperatuurbestendigheid, chemische inertheid en uitstekende mechanische prestaties, waardoor het geschikt is voor een breed scala aan toepassingen in verschillende industrieën.
Neem contact op met Semicera voor op maat gemaakte glaskoolstofproducten.
E-mail:sales05@semi-cera.com
Posttijd: 18 december 2023