Hiili on yksi luonnon yleisimmistä alkuaineista, ja se sisältää lähes kaikkien maapallolla esiintyvien aineiden ominaisuudet. Sillä on laaja valikoima ominaisuuksia, kuten vaihteleva kovuus ja pehmeys, eristys-puolijohteen-suprajohteen käyttäytyminen, lämmöneristys-suprajohtavuus ja valon absorptio-täydellinen läpinäkyvyys. Näistä materiaalit, joissa on sp2-hybridisaatio, ovat hiilimateriaaliperheen pääjäseniä, mukaan lukien grafiitti, hiilinanoputket, grafeeni, fullereenit ja amorfinen lasimainen hiili.
Grafiitti- ja lasimaiset hiilinäytteet
Vaikka aiemmat materiaalit ovat hyvin tunnettuja, keskitytään tänään lasimaiseen hiileen. Lasimainen hiili, joka tunnetaan myös nimellä lasimainen hiili tai lasimainen hiili, yhdistää lasin ja keramiikan ominaisuudet ei-grafiittiseksi hiilimateriaaliksi. Toisin kuin kiteinen grafiitti, se on amorfista hiilimateriaalia, joka on lähes 100 % sp2-hybridisoitu. Lasimainen hiili syntetisoidaan sintraamalla korkeassa lämpötilassa esiasteorgaanisia yhdisteitä, kuten fenolihartseja tai furfuryylialkoholihartseja, inertissä kaasukehässä. Sen musta ulkonäkö ja sileä lasimainen pinta ansaitsivat sille nimen "lasimainen hiili".
Sen jälkeen, kun tiedemiehet tekivät sen ensimmäisen synteesin vuonna 1962, lasimaisen hiilen rakennetta ja ominaisuuksia on tutkittu laajasti ja se on edelleen kuuma aihe hiilimateriaalien alalla. Lasimainen hiili voidaan luokitella kahteen tyyppiin: tyypin I ja tyypin II lasimainen hiili. Tyypin I lasimainen hiili sintrataan orgaanisista esiasteista alle 2000 °C:n lämpötiloissa ja koostuu pääasiassa satunnaisesti suuntautuneista kihartuneista grafeenifrageeneista. Tyypin II lasimainen hiili puolestaan sintrautuu korkeammissa lämpötiloissa (~ 2500 °C) ja muodostaa amorfisen monikerroksisen kolmiulotteisen matriisin itse koottuista fullereenin kaltaisista pallomaisista rakenteista (kuten alla olevasta kuvasta näkyy).
Lasimainen hiilirakenteen esitys (vasemmalla) ja korkearesoluutioinen elektronimikroskopiakuva (oikealla)
Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että tyypin II lasimaisella hiilellä on korkeampi kokoonpuristuvuus kuin tyypin I, mikä johtuu sen itsekokoontuneista fullereenimaisista pallomaisista rakenteista. Pienistä geometrisista eroista huolimatta sekä tyypin I että tyypin II lasimaiset hiilimatriisit koostuvat olennaisesti epäjärjestyneestä käpristyneestä grafeenista.
Glassy Carbonin sovellukset
Lasihiilellä on lukuisia erinomaisia ominaisuuksia, kuten alhainen tiheys, korkea kovuus, korkea lujuus, korkea kaasujen ja nesteiden läpäisemättömyys, korkea lämpö- ja kemiallinen stabiilisuus, mikä tekee siitä laajan käyttökelpoisen teollisuudessa, kuten valmistus, kemia ja elektroniikka.
01 Korkeiden lämpötilojen sovellukset
Lasimainen hiili kestää korkeaa lämpötilankestoa inertissä kaasu- tai tyhjiöympäristössä ja kestää jopa 3000°C lämpötiloja. Toisin kuin muut keraamiset ja metalliset korkean lämpötilan materiaalit, lasimaisen hiilen lujuus kasvaa lämpötilan myötä ja voi nousta jopa 2700 K haurauttamatta. Sillä on myös pieni massa, alhainen lämmön absorptio ja alhainen lämpölaajeneminen, mikä tekee siitä sopivan erilaisiin korkeisiin lämpötiloihin, mukaan lukien lämpöparin suojaputket, latausjärjestelmät ja uunin komponentit.
02 Kemialliset sovellukset
Korkean korroosionkestävyytensä ansiosta lasimaista hiiltä käytetään laajasti kemiallisissa analyyseissä. Lasimaisesta hiilestä valmistetut laitteet tarjoavat etuja perinteisiin platinasta, kullasta, muista korroosionkestävistä metalleista, erikoiskeramiikasta tai fluoroplastista valmistettuihin laboratoriolaitteisiin verrattuna. Näitä etuja ovat kestävyys kaikkia märkiä hajottavia aineita vastaan, ei muistivaikutusta (alkuaineiden hallitsematon adsorptio ja desorptio), analysoitujen näytteiden ei kontaminaatiota, happojen ja alkalisten sulatteiden kestävyys sekä ei-huokoinen lasimainen pinta.
03 Hammastekniikka
Lasimaisia hiiliupokkaita käytetään yleisesti hammastekniikassa jalometallien ja titaaniseosten sulattamiseen. Ne tarjoavat etuja, kuten korkea lämmönjohtavuus, pidempi käyttöikä verrattuna grafiittiupokkaisiin, sulan jalometallin tarttumattomuus, lämpösokkien kestävyys, sovellettavuus kaikkiin jalometalleihin ja titaaniseoksiin, käyttö induktiovalusentrifugeissa, suojaavan ilmakehän luominen sulalle metallille, ja virtauksen tarpeen poistaminen.
Lasimaisten hiiliupokkaiden käyttö lyhentää kuumennus- ja sulatusaikoja ja mahdollistaa sulatusyksikön lämmityskierukoiden toiminnan perinteisiä keraamisia astioita alhaisemmissa lämpötiloissa, mikä lyhentää jokaiseen valuun tarvittavaa aikaa ja pidentää upokkaan käyttöikää. Lisäksi sen kastumattomuus eliminoi materiaalihäviöt.
04 Puolijohdesovellukset
Lasimainen hiili korkean puhtautensa, poikkeuksellisen korroosionkestävyytensä, hiukkasten muodostumattomuuden, johtavuuden ja hyvien mekaanisten ominaisuuksiensa ansiosta on ihanteellinen materiaali puolijohteiden valmistukseen. Lasimaisesta hiilestä valmistettuja upokkaita ja veneitä voidaan käyttää puolijohdekomponenttien vyöhykesulatukseen Bridgmanin tai Czochralskin menetelmillä, galliumarsenidin synteesiin ja yksikiteiden kasvattamiseen. Lisäksi lasimainen hiili voi toimia komponentteina ioni-istutusjärjestelmissä ja elektrodeina plasmaetsausjärjestelmissä. Sen korkea röntgenläpinäkyvyys tekee myös lasimaisista hiililastuista sopivia röntgenmaskien substraateille.
Yhteenvetona voidaan todeta, että lasimainen hiili tarjoaa poikkeuksellisia ominaisuuksia, kuten korkean lämpötilan kestävyyden, kemiallisen inerttiyden ja erinomaisen mekaanisen suorituskyvyn, mikä tekee siitä sopivan monenlaisiin sovelluksiin eri teollisuudenaloilla.
Ota yhteyttä Semiceraan räätälöityjä lasihiilituotteita varten.
Sähköposti:sales05@semi-cera.com
Postitusaika: 18.12.2023