¿Qué es el carbono vidrioso? - Veteksemicon

El carbono vidrioso, también conocido como carbono vidrioso para abreviar, es un carbono no grafitado que combina las propiedades del vidrio ycerámica. Se realiza sinterizando un precursor orgánico polimerizado a alta temperatura en una atmósfera de gas inerte. Debido a que es negro en todas partes y tiene una superficie lisa similar al vidrio, se llama carbono vidrioso.

Ⅰ. Ventajas de materiales y áreas de aplicación

Glass Carbon tiene una serie de excelentes propiedades y se puede procesar en varias formas, por lo que tiene una amplia gama de perspectivas de aplicaciones:

● Alta resistencia a la temperatura: El carbono de vidrio se puede usar durante mucho tiempo en un gas inerte o al vacío a aproximadamente 3000 ° C sin fragilidad. Es adecuado para casi todas las ocasiones de protección de alta temperatura, como tubos de protección del pirómetro, sistemas de carga y piezas de horno de alta temperatura;

● Resistencia a la corrosión: El carbono de vidrio es resistente a todos los agentes de descomposición húmedo, se derrite el ácido y el álcali, y no tiene ningún efecto de memoria. Se puede utilizar en equipos de laboratorio convencionales y las muestras de análisis están libres de contaminación;

● Conductividad térmica y no humectación: La conductividad térmica del carbono de vidrio es ~ 80W/(M▪K), que está cerca de la de hierro metálico. Se puede usar en crisoles para derretir metales preciosos y aleaciones de titanio, y acortar el tiempo de calefacción y fusión; Su propiedad no humectante también elimina el problema de la pérdida de material;

● Alta pureza y sin partículas: El carbono de vidrio se convierte en crisoles y barcos, que es un material ideal para la producción de semiconductores; También se puede usar como partes de los sistemas de implantación de iones y electrodos de los sistemas de grabado en plasma, etc.

● Buena conductividad: Los electrodos de carbono vidriosos tienen un amplio rango potencial, que puede usarse para estudiar sustancias inorgánicas en la zona potencial negativa y las reacciones redox de sustancias orgánicas en la zona potencial positiva; Los científicos han utilizado sensores de electrodos de carbono vidriosos para completar el análisis voltamétrico de los medicamentos y realizar fotoelectrodos de perovskita ultra estables.

Diagrama esquemático del proceso de preparación del fotoanodo de perovskita de carbono vidrioso y absorbedor de luz

Ⅱ. Investigación sobre estructura de materiales y propiedades

Desde que los científicos sintetizaron el carbono vidrioso en 1962, el estudio de la estructura y las propiedades del carbono vidrioso ha sido un tema candente en el campo de los materiales de carbono. El carbono vidrioso es una estructura de carbono desordenada hibridada SP2 típica. El carbono vidrioso tipo I se forma por la materia orgánica polimerizada de sinterización a una temperatura por debajo de 2000 ° C, y su interior está compuesto principalmente de fragmentos de grafeno rizados desordenados; El carbono vidrioso tipo II se sinteriza a una temperatura más alta y es una matriz tridimensional de grafeno multicapa desordenada.

Con el desarrollo de medios técnicos, se han revelado aún más la evolución estructural y las propiedades intrínsecas del carbono vidrioso. Karlsruher Institut Für Technologie utilizada por microscopía electrónica de transmisión de alta resolución in situ (HR-TEM) para visualizar la evolución estructural de la pirólisis de polímeros en el rango de temperatura de 500-1200 ° C. Los resultados mostraron que:

● Fullerenos, láminas de grafeno fuertemente curvas y láminas de grafeno bidimensionales más pequeñas coexisten en carbono vidrioso con un tamaño y forma relativamente grandes, apiladas (<10 capas) o fragmentos de grafeno interconectados;

● Los microporos en carbono vidrioso no se atribuyen por completo a las estructuras de fullereno, porque la distribución y proporción de estructuras de fullereno dependen fuertemente del área de superficie de la muestra. A diferencia de las estructuras de grafeno de pocas capas, los poros aleatorios en muestras 3D representan la mayoría;

● Los fragmentos de grafeno están interconectados con enlaces σ y π, lo que resulta en un rango de longitudes de enlace C-C en carbono vidrioso, y los anillos inherentes no con miembros no con seis años conducen a la diversidad de longitudes de enlace;

● Los fragmentos de grafeno no siempre aumentan, y la inestabilidad local a bajas temperaturas hace que los copos más pequeños se separen o se fusionen ocasionalmente con copos más grandes. J. Bauer y otros del Instituto de Tecnología de Karlsruhe utilizaron fotolitografía para procesar microarquitecturas de panal de polímero, y luego prepararon carbono de nano-vidrio ultra fuerte con un solo pilar más corto de 1 μm y un diámetro tan pequeño como 200nm a través de la pirólisis; La resistencia del material es tan alta como 3GPA, que es aproximadamente equivalente a la resistencia teórica del carbono vidrioso; La densidad de la estructura topológica de panal de carbono vidrioso es de solo 0,6 g/cm³, logrando una fuerza efectiva de 1.2GPA.

Imágenes TEM de la migración de pequeñas copos de grafeno durante la pirólisis. 

(A-C) copos circulares separados de bloques de grafeno más grandes (flecha 1); 

(D-F) Flakes fusionados con materiales adyacentes a 780 ° C (flecha 2). Barra de escala: 2 nm.

A, B, estructura del polímero antes de la pirólisis: estructura general (a) y primer plano de una sola celda unitaria (B);

C, D, la nanolatticia se reduce isotrópicamente a aproximadamente el 20% de su tamaño inicial durante la pirólisis.

Ⅲ. Diseño de la industria y expansión de la aplicación

La electroquímica de Luton y los nuevos materiales de Chenrui han logrado la preparación doméstica de carbono vidrioso y han logrado la producción en masa de productos de carbono vidriosos ultra delgados de 5 μm.

Las tendencias de desarrollo futuras incluyen:

● Realice la aplicación a gran escala de recubrimientos de carbono vidriosos de grado semiconductor, que se utilizan como materiales de aislamiento para hornos de crecimiento de cristales para resolver el problema de la estabilidad del campo térmico del crecimiento de la cristal de SiC, al tiempo que reducen el consumo de energía en un 20%;

● El carbono vidrioso como material de placa bipolar para celdas de combustible de nuevos vehículos de energía puede aumentar la eficiencia de la batería en un 15%;

● Los materiales compuestos de carbono vidriosos livianos (ρ <1.3g/cm³) se utilizan en las boquillas del motor de cohetes para mejorar en gran medida la resistencia a la temperatura.

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