חקור את המאפיינים והיישומים הייחודיים של פחמן זכוכית

פחמן הוא אחד היסודות הנפוצים ביותר בטבע, וכולל את התכונות של כמעט כל החומרים המצויים על פני כדור הארץ.הוא מציג מגוון רחב של מאפיינים, כגון קשיות ורכות משתנים, התנהגות בידוד-מוליכים-למחצה-מוליכים-על, בידוד חום-מוליכות-על ושקיפות מלאה של בליעת אור.בין אלה, חומרים עם הכלאה sp2 הם החברים העיקריים במשפחת חומרי הפחמן, כולל גרפיט, ננו-צינוריות פחמן, גרפן, פולרנים ופחמן זכוכית אמורפי.

דגימות גרפיט ופחמן מזכוכית

בעוד שהחומרים הקודמים ידועים, בואו נתמקד היום בפחמן מזכוכית.פחמן זגוגי, המכונה גם פחמן זגוגי או פחמן זגוגי, משלב את התכונות של זכוכית וקרמיקה לחומר פחמן לא גרפיטי.בניגוד לגרפיט גבישי, זהו חומר פחמן אמורפי שהוא כמעט 100% הכלאה של sp2.פחמן זכוכית מסונתז על ידי סינתזה בטמפרטורה גבוהה של תרכובות אורגניות מבשרות, כגון שרפים פנוליים או שרפי אלכוהול פורפוריל, תחת אטמוספרה של גז אינרטי.המראה השחור והמשטח החלק דמוי הזכוכית שלו זיכו אותו בשם "פחמן זכוכית".

מאז הסינתזה הראשונה שלו על ידי מדענים ב-1962, המבנה והתכונות של פחמן זגוגי נחקרו בהרחבה ונשארו נושא חם בתחום חומרי הפחמן.ניתן לסווג פחמן זגוגי לשני סוגים: פחמן זגוגי מסוג I ו- Type II.פחמן זגוגי מסוג I מסונט ממבשרים אורגניים בטמפרטורות מתחת ל-2000 מעלות צלזיוס ומורכב בעיקר משברי גרפן מסולסלים בעלי אוריינטציה אקראית.פחמן זגוגי מסוג II, לעומת זאת, מושחת בטמפרטורות גבוהות יותר (~2500 מעלות צלזיוס) ויוצר מטריצה ​​תלת מימדית אמורפית רב-שכבתית של מבנים כדוריים דמויי פולרן בהרכבה עצמית (כמתואר באיור למטה).

ייצוג מבנה פחמן מזכוכית (שמאל) ותמונת מיקרוסקופיה אלקטרונית ברזולוציה גבוהה (ימין)

מחקרים אחרונים מצאו שפחמן זכוכית מסוג II מציג יכולת דחיסה גבוהה יותר מזו של סוג I, המיוחסת למבנים הכדוריים דמויי פולרן בהרכבה עצמית.למרות הבדלים גיאומטריים קלים, מטריצות פחמן זגוגיות מסוג I וסוג II מורכבות בעיקרה מגרפן מסולסל לא מסודר.

יישומים של Glassy Carbon

לפחמן זכוכי יש מספר רב של תכונות יוצאות דופן, לרבות צפיפות נמוכה, קשיות גבוהה, חוזק גבוה, אטימות גבוהה לגזים ולנוזלים, יציבות תרמית וכימית גבוהה, אשר הופכות אותו ליישום נרחב בתעשיות כגון ייצור, כימיה ואלקטרוניקה.

01 יישומים בטמפרטורה גבוהה

פחמן זגוגי מפגין עמידות בטמפרטורה גבוהה בסביבות גז אינרטי או ואקום, עמיד בטמפרטורות של עד 3000 מעלות צלזיוס.בניגוד לחומרי קרמיקה ומתכת אחרים בטמפרטורה גבוהה, החוזק של פחמן זגוגי עולה עם הטמפרטורה ויכול להגיע עד 2700K מבלי להיות שביר.יש לו גם מסה נמוכה, ספיגת חום נמוכה והתפשטות תרמית נמוכה, מה שהופך אותו למתאים ליישומים שונים בטמפרטורה גבוהה, כולל צינורות הגנה תרמיים, מערכות העמסה ורכיבי תנור.

02 יישומים כימיים

בשל העמידות הגבוהה שלו בפני קורוזיה, פחמן זגוגי מוצא שימוש נרחב בניתוח כימי.ציוד העשוי מפחמן זכוכית מציע יתרונות על פני מכשירי מעבדה קונבנציונליים העשויים מפלטינה, זהב, מתכות עמידות בפני קורוזיה אחרות, קרמיקה מיוחדת או פלואורופלסטיקה.יתרונות אלה כוללים עמידות לכל חומרי הפירוק הרטובים, ללא אפקט זיכרון (ספיחה ופירוק בלתי מבוקרת של יסודות), ללא זיהום של דגימות מנותחות, עמידות לחומצות ונמסים אלקליים ומשטח זגוגי שאינו נקבובי.

03 טכנולוגיית שיניים

כור היתוך פחמן זכוכית משמש בדרך כלל בטכנולוגיית שיניים להמסת מתכות יקרות וסגסוגות טיטניום.הם מציעים יתרונות כגון מוליכות תרמית גבוהה, תוחלת חיים ארוכה יותר בהשוואה לכור היתוך גרפיט, ללא הידבקות של מתכות יקרות מותכות, עמידות בפני זעזועים תרמיים, ישימות על כל המתכות היקרות וסגסוגות טיטניום, שימוש בצנטריפוגות של יציקת אינדוקציה, יצירת אטמוספרות הגנה על מתכות מותכות, וביטול הצורך בשטף.

השימוש בכור היתוך פחמן מזכוכית מקצר את זמני החימום וההתכה ומאפשר לסלילי החימום של יחידת ההיתוך לפעול בטמפרטורות נמוכות יותר ממיכלי קרמיקה מסורתיים, ובכך להפחית את הזמן הנדרש לכל יציקה ולהאריך את אורך חיי הכור.יתר על כן, אי-הרטבה שלו מבטל חששות אובדן חומר.

04 יישומי מוליכים למחצה

פחמן זכוכי, עם הטוהר הגבוה, עמידות בפני קורוזיה יוצאת דופן, היעדר יצירת חלקיקים, מוליכות ותכונות מכניות טובות, הוא חומר אידיאלי לייצור מוליכים למחצה.ניתן להשתמש בכור היתוך וסירות העשויים מפחמן זגוגי להמסת אזור של רכיבי מוליכים למחצה בשיטות ברידג'מן או צ'וקרלסקי, סינתזה של גליום ארסניד וצמיחת גביש בודד.בנוסף, פחמן זגוגי יכול לשמש כרכיבים במערכות השתלת יונים ואלקטרודות במערכות תחריט פלזמה.השקיפות הגבוהה של קרני רנטגן הופכת גם שבבי פחמן מזכוכית למתאימים למצעי מסכות רנטגן.

לסיכום, פחמן זגוגי מציע תכונות יוצאות דופן הכוללות עמידות בטמפרטורה גבוהה, אינרציה כימית וביצועים מכניים מצוינים, מה שהופך אותו למתאים למגוון רחב של יישומים בתעשיות שונות.

צור קשר עם Semicera למוצרי פחמן מזכוכית מותאמים אישית.
אימייל:sales05@semi-cera.com