Süsinik on looduses üks levinumaid elemente, mis hõlmab peaaegu kõigi Maal leiduvate ainete omadusi. Sellel on lai valik omadusi, nagu erinev kõvadus ja pehmus, isolatsiooni-pooljuht-ülijuhi käitumine, soojusisolatsioon-ülijuhtivus ja valguse neeldumine-täielik läbipaistvus. Nende hulgas on sp2 hübridisatsiooniga materjalid süsinikmaterjalide perekonna peamised liikmed, sealhulgas grafiit, süsiniknanotorud, grafeen, fullereenid ja amorfne klaasjas süsinik.
Grafiidi ja klaasist süsiniku proovid
Kui varasemad materjalid on üldtuntud, siis täna keskendume klaasjas süsinikule. Klaasjas süsinik, tuntud ka kui klaassüsinik või klaasjas süsinik, ühendab klaasi ja keraamika omadused mittegrafiitseks süsinikmaterjaliks. Erinevalt kristallilisest grafiidist on see amorfne süsinikmaterjal, mis on peaaegu 100% sp2-hübridiseeritud. Klaasjas süsinik sünteesitakse orgaaniliste lähteühendite, näiteks fenoolvaikude või furfurüülalkoholvaikude kõrgel temperatuuril paagutamisel inertgaasi atmosfääris. Selle must välimus ja sile klaasitaoline pind pälvisid selle nime "klaasjas süsinik".
Alates selle esimesest sünteesist teadlaste poolt 1962. aastal on klaasja süsiniku struktuuri ja omadusi põhjalikult uuritud ning see on süsinikmaterjalide valdkonnas endiselt kuum teema. Klaasjas süsinik võib jagada kahte tüüpi: I tüüpi ja II tüüpi klaassüsinik. I tüüpi klaasjas süsinik paagutatakse orgaanilistest lähteainetest temperatuuril alla 2000 °C ja koosneb peamiselt juhuslikult orienteeritud kõverdunud grafeenifragmentidest. II tüüpi klaasjas süsinik seevastu paagutatakse kõrgematel temperatuuridel (~2500°C) ja moodustab amorfse mitmekihilise kolmemõõtmelise maatriksi isekoosnenud fullereenilaadsetest sfäärilistest struktuuridest (nagu on näidatud alloleval joonisel).
Klaasjas süsinikstruktuuri kujutis (vasakul) ja kõrglahutusega elektronmikroskoopiline kujutis (paremal)
Hiljutised uuringud on leidnud, et II tüüpi klaasjas süsinikul on suurem kokkusurutavus kui I tüübil, mis on tingitud selle isekoosnenud fullereenilaadsetest sfäärilistest struktuuridest. Vaatamata väikestele geomeetrilistele erinevustele koosnevad nii I kui ka II tüüpi klaasjad süsiniku maatriksid põhiliselt korrastamata kõverdatud grafeenist.
Klaasse süsiniku rakendused
Klaassel süsinikul on palju silmapaistvaid omadusi, sealhulgas madal tihedus, kõrge kõvadus, kõrge tugevus, kõrge gaaside ja vedelike mitteläbilaskvus, kõrge termiline ja keemiline stabiilsus, mis muudavad selle laialdaselt kasutatavaks sellistes tööstusharudes nagu tootmine, keemia ja elektroonika.
01 Kõrge temperatuuriga rakendused
Klaasjas süsinik talub kõrget temperatuuri inertgaasi- või vaakumkeskkonnas, taludes temperatuuri kuni 3000 °C. Erinevalt teistest keraamilistest ja metallist kõrge temperatuuriga materjalidest suureneb klaasja süsiniku tugevus temperatuuri tõustes ja võib ulatuda kuni 2700 K-ni, muutumata rabedaks. Sellel on ka väike mass, madal soojuse neeldumine ja madal soojuspaisumine, mistõttu sobib see mitmesuguste kõrge temperatuuriga rakenduste jaoks, sealhulgas termopaari kaitsetorud, laadimissüsteemid ja ahju komponendid.
02 Keemilised rakendused
Tänu oma kõrgele korrosioonikindlusele kasutatakse klaasjas süsinikku laialdast kasutamist keemilises analüüsis. Klaasjas süsinikust valmistatud seadmed pakuvad eeliseid tavapäraste plaatinast, kullast, muudest korrosioonikindlatest metallidest, spetsiaalsest keraamikast või fluoroplastist valmistatud laboriseadmete ees. Need eelised hõlmavad vastupidavust kõigile märgadele lagundavatele ainetele, mäluefekti puudumist (elementide kontrollimatu adsorptsioon ja desorptsioon), analüüsitud proovide saastumist, vastupidavust hapetele ja leeliselistele suladele ning mittepoorset klaaspinda.
03 Hambaravitehnoloogia
Klaaskujulisi süsiniktiigleid kasutatakse tavaliselt hambaravitehnoloogias väärismetallide ja titaanisulamite sulatamiseks. Need pakuvad eeliseid, nagu kõrge soojusjuhtivus, pikem eluiga võrreldes grafiittiiglitega, sula väärismetallide adhesiooni puudumine, soojuslöögikindlus, rakendatavus kõikide väärismetallide ja titaanisulamite puhul, kasutamine induktsioonvalu tsentrifuugides, sulametallide suhtes kaitsva atmosfääri loomine, ja vooluvajaduse kõrvaldamine.
Klaasjas süsiniktiigli kasutamine vähendab kuumutamis- ja sulamisaega ning võimaldab sulatusseadme kuumutusspiraalidel töötada madalamatel temperatuuridel kui traditsioonilised keraamilised mahutid, vähendades seeläbi igaks valamiseks kuluvat aega ja pikendades tiigli eluiga. Lisaks välistab selle mittemärguvus materjalikaoga seotud probleemid.
04 Pooljuhtide rakendused
Klaasjas süsinik oma kõrge puhtuse, erakordse korrosioonikindluse, osakeste tekke puudumise, juhtivuse ja heade mehaaniliste omadustega on ideaalne materjal pooljuhtide tootmiseks. Klaasjas süsinikust valmistatud tiigleid ja paate saab kasutada pooljuhtkomponentide tsoonisulatamiseks Bridgmani või Czochralski meetodil, galliumarseniidi sünteesiks ja monokristallide kasvatamiseks. Lisaks võib klaasjas süsinik olla komponendid ioonide implanteerimissüsteemides ja elektroodid plasmasöövitussüsteemides. Selle kõrge röntgenikiirte läbipaistvus muudab klaasjad süsiniklaastud sobivad ka röntgenmaski substraatide jaoks.
Kokkuvõtteks võib öelda, et klaasjas süsinik pakub erakordseid omadusi, mille hulka kuuluvad kõrge temperatuuritaluvus, keemiline inertsus ja suurepärane mehaaniline jõudlus, mistõttu sobib see paljudes rakendustes erinevates tööstusharudes.
Kohandatud klaasist süsiniktoodete saamiseks võtke ühendust Semiceraga.
Meil:sales05@semi-cera.com
Postitusaeg: 18. detsember 2023