Ogleklis ir viens no visizplatītākajiem elementiem dabā, kas aptver gandrīz visu uz Zemes sastopamo vielu īpašības. Tam ir plašs raksturlielumu klāsts, piemēram, dažāda cietība un maigums, izolācijas-pusvadītāja-supravadītāja izturēšanās, siltumizolācijas-supravadītspēja un gaismas absorbcijas pilnīga caurspīdīgums. Starp tiem materiāli ar sp2 hibridizāciju ir galvenie oglekļa materiālu saimes locekļi, tostarp grafīts, oglekļa nanocaurules, grafēns, fullerēni un amorfs stiklveida ogleklis.
Grafīta un stiklveida oglekļa paraugi
Lai gan iepriekšējie materiāli ir labi zināmi, šodien pievērsīsimies stiklveida ogleklim. Stikla ogleklis, kas pazīstams arī kā stiklveida ogleklis vai stiklveida ogleklis, apvieno stikla un keramikas īpašības, veidojot negrafītu oglekļa materiālu. Atšķirībā no kristāliskā grafīta, tas ir amorfs oglekļa materiāls, kas ir gandrīz 100% sp2-hibridizēts. Stiklveida ogleklis tiek sintezēts, augstā temperatūrā inertas gāzes atmosfērā saķepinot prekursoru organiskos savienojumus, piemēram, fenola sveķus vai furfurilspirta sveķus. Tā melnais izskats un gludā, stiklam līdzīgā virsma ieguva nosaukumu “stikla ogleklis”.
Kopš tās pirmās sintēzes zinātnieki 1962. gadā, stiklveida oglekļa struktūra un īpašības ir plaši pētītas un joprojām ir aktuāla tēma oglekļa materiālu jomā. Stikla oglekli var iedalīt divos veidos: I tipa un II tipa stiklveida ogleklis. I tipa stiklveida ogleklis tiek saķepināts no organiskiem prekursoriem temperatūrā, kas zemāka par 2000°C, un sastāv galvenokārt no nejauši orientētiem krokainiem grafēna fragmentiem. Savukārt II tipa stiklveida ogleklis tiek saķepināts augstākā temperatūrā (~2500°C) un veido amorfu daudzslāņu trīsdimensiju matricu no pašmontētām fullerēnam līdzīgām sfēriskām struktūrām (kā parādīts attēlā zemāk).
Stikla oglekļa struktūras attēlojums (pa kreisi) un augstas izšķirtspējas elektronu mikroskopijas attēls (pa labi)
Nesenie pētījumi atklāja, ka II tipa stiklveida ogleklim ir augstāka saspiežamība nekā I tipam, kas ir saistīts ar tā pašmontētajām fullerēnam līdzīgām sfēriskām struktūrām. Neskatoties uz nelielām ģeometriskām atšķirībām, gan I, gan II tipa stiklveida oglekļa matricas būtībā sastāv no nesakārtota krokaina grafēna.
Stikla oglekļa pielietojumi
Stikla ogleklim piemīt daudzas izcilas īpašības, tostarp zems blīvums, augsta cietība, augsta izturība, augsta gāzu un šķidrumu necaurlaidība, augsta termiskā un ķīmiskā stabilitāte, kas padara to plaši pielietojamu tādās nozarēs kā ražošana, ķīmija un elektronika.
01 Augstas temperatūras pielietojumi
Stikla ogleklim piemīt augsta temperatūras izturība inertās gāzes vai vakuuma vidē, izturot temperatūru līdz 3000°C. Atšķirībā no citiem keramikas un metāla augstas temperatūras materiāliem, stiklveida oglekļa stiprums palielinās līdz ar temperatūru un var sasniegt līdz 2700 K, nekļūstot trausls. Tam ir arī maza masa, zema siltuma absorbcija un zema termiskā izplešanās, tāpēc tas ir piemērots dažādiem augstas temperatūras lietojumiem, tostarp termopāra aizsargcaurulēm, iekraušanas sistēmām un krāsns komponentiem.
02 Ķīmiskie pielietojumi
Pateicoties augstajai izturībai pret koroziju, stiklveida oglekli plaši izmanto ķīmiskajā analīzē. Iekārtām, kas izgatavotas no stiklveida oglekļa, ir priekšrocības salīdzinājumā ar parastajiem laboratorijas aparātiem, kas izgatavoti no platīna, zelta, citiem korozijizturīgiem metāliem, īpašas keramikas vai fluoroplastmasas. Šīs priekšrocības ietver izturību pret visiem mitriem sadalīšanās līdzekļiem, atmiņas efekta neesamību (nekontrolēta elementu adsorbcija un desorbcija), analizēto paraugu nepiesārņošanu, izturību pret skābēm un sārmainiem kausējumiem un neporainu stiklveida virsmu.
03 Zobu tehnoloģija
Stikla oglekļa tīģeļus parasti izmanto zobārstniecības tehnoloģijās dārgmetālu un titāna sakausējumu kausēšanai. Tie piedāvā tādas priekšrocības kā augsta siltumvadītspēja, ilgāks kalpošanas laiks salīdzinājumā ar grafīta tīģeļiem, kausētu dārgmetālu nesaķere, termiskā triecienizturība, pielietojamība visiem dārgmetāliem un titāna sakausējumiem, izmantošana indukcijas liešanas centrifūgās, aizsargatmosfēras radīšana pār kausētiem metāliem, un plūsmas nepieciešamības novēršana.
Stiklveida oglekļa tīģeļu izmantošana samazina sildīšanas un kušanas laiku un ļauj kausēšanas bloka sildīšanas spoles darboties zemākā temperatūrā nekā tradicionālie keramikas tīģeļi, tādējādi samazinot katrai liešanai nepieciešamo laiku un pagarinot tīģeļa kalpošanas laiku. Turklāt tā nesamitrināšanās novērš bažas par materiālajiem zaudējumiem.
04 Pusvadītāju lietojumprogrammas
Stikla ogleklis ar augstu tīrības pakāpi, izcilu izturību pret koroziju, daļiņu veidošanās trūkumu, vadītspēju un labām mehāniskajām īpašībām ir ideāls materiāls pusvadītāju ražošanai. Tīģeļus un laivas, kas izgatavotas no stiklveida oglekļa, var izmantot pusvadītāju komponentu zonas kausēšanai, izmantojot Bridžmena vai Czochralski metodes, gallija arsenīda sintēzi un monokristālu audzēšanu. Turklāt stiklveida ogleklis var kalpot kā komponenti jonu implantācijas sistēmās un elektrodi plazmas kodināšanas sistēmās. Pateicoties augstajai rentgena caurspīdīgumam, stiklveida oglekļa skaidas ir piemērotas rentgena masku substrātiem.
Visbeidzot, stiklveida ogleklis piedāvā izcilas īpašības, tostarp augstas temperatūras izturību, ķīmisko inerci un izcilu mehānisko veiktspēju, padarot to piemērotu plašam lietojumu klāstam dažādās nozarēs.
Sazinieties ar Semicera, lai iegūtu pielāgotus stikla oglekļa izstrādājumus.
E-pasts:sales05@semi-cera.com
Publicēšanas laiks: 18. decembris 2023