Стекловидный углерод

Большой образец стеклоуглерода размером 1 см. ³ графитовый кубик для сравнения

Небольшой стержень из стеклоуглерода.

Стекловидно-углеродистые тигли

Стеклоподобный углерод , часто называемый стеклоуглеродом или стеклообразным углеродом , представляет собой неграфитизируемый или неграфитизируемый углерод , который сочетает в себе стеклообразные и керамические свойства со свойствами графита . Важнейшими свойствами являются высокая термическая стабильность, высокая теплопроводность, твердость (7 по шкале Мооса ), низкая плотность, низкое электрическое сопротивление, низкое трение, исключительная устойчивость к химическому воздействию и непроницаемость для газов и жидкостей. Стеклоуглерод широко применяется в качестве электродного материала в электрохимии , для высокотемпературных тиглей , а также в качестве компонента некоторых протезных устройств. Его можно изготовить разной формы, размера и сечения.

Названия «стеклоуглерод» и «стеклоуглерод» зарегистрированы как товарные знаки, и ИЮПАК не рекомендует использовать их в качестве технических терминов.

Исторический обзор стеклоуглерода был опубликован в 2021 году.

История

Стеклоуглерод был впервые обнаружен в лабораториях компании Carborundum Company в Манчестере, Великобритания, в середине 1950-х годов Бернардом Редферном, ученым-материаловедом и технологом алмазов. Он заметил, что скотч, которым он держал образцы керамики (ракетного сопла) на дне печи, превратился «в необычную конструкцию, сохранившую свою первоначальную форму» после обжига в инертной атмосфере. Он искал полимерную матрицу, отражающую структуру алмаза, и обнаружил резольную смолу, которая при специальной подготовке затвердевала без катализатора. Тигли производились из этой фенольной смолы и распространялись среди таких организаций, как UKAEA Harwell.

Редферн покинул компанию Carborundum Co., которая официально отказалась от всех интересов в изобретении стеклоуглерода. Работая в лаборатории компании Plessey в Таучестере, Великобритания, Редферн получил от UKAEA стеклоуглеродный тигель для копирования. Он идентифицировал его как тот, который он сделал на основе маркировки, которую он выгравировал на неотвержденном прекурсоре до карбонизации — выгравировать готовый продукт практически невозможно. Компания открыла лабораторию в Личборо, а затем постоянное предприятие в Касвелле, Нортгемптоншир, которое стало называться Plessey Research Caswell , а затем Исследовательским центром Аллена Кларка .

Стеклоуглерод прибыл в Плесси как свершившийся факт . Вклад Редферна в изобретение и производство стеклообразного/стекловидного углерода подтвержден его соавторством ранних статей, но ссылки на него не были очевидными в последующих публикациях Коуларда и Льюиса. Существуют оригинальные лодочные тигли, стержни толстого сечения и образцы-прекурсоры.

Британская заявка на патент Редферна была подана 11 января 1960 года, и он был автором патента США 3109712A, выданного 5 ноября 1963 года, дата приоритета 11 января 1960 года, дата подачи 9 января 1961 года. Это произошло после аннулирования британского патента. Этот уровень техники не упоминается в патенте США № 4668496 от 26 мая 1987 г. на стекловидный углерод. Были зарегистрированы патенты «Тела и формы из углеродистых материалов и способы их производства», а название «Стекловидный углерод» было дано продукту сыном Редферна.

Стекловидный/стекловидный углерод использовался для изготовления компонентов систем термоядерной детонации, и по крайней мере некоторые патенты на этот материал были аннулированы (в интересах национальной безопасности) в 1960-х годах.

Большие части материала-предшественника производились в виде отливок, формований или механической обработки для придания заданной формы. Были изготовлены большие тигли и другие формы.

Карбонизация проходила в два этапа. Усадка при этом процессе значительна (48,8%), но абсолютно равномерна и предсказуема. Гайка и болт могут быть изготовлены по размеру, находясь в полимерной форме, обработаны отдельно, но одинаково, и впоследствии обеспечивают идеальную посадку.

Некоторые из первых сверхчистых образцов арсенида галлия (GaAs) были подвергнуты зонной очистке в этих тиглях (стеклоуглерод не вступает в реакцию с GaAs).

Легированный/нечистый стеклоуглерод проявляет полупроводниковые явления.

Стеклоуглерод с включениями карбида урана был изготовлен в экспериментальном масштабе с использованием урана-238 .

11 октября 2011 года исследования, проведенные в Геофизической лаборатории Карнеги под руководством Венди Л. Мао из Стэнфорда и ее аспиранта Ю Линь, описали новую форму стеклоуглерода, образующуюся под высоким давлением, с твердостью, равной алмазу – разновидность алмаза. - как углерод . Однако в отличие от алмаза его структура представляет собой структуру аморфного углерода, поэтому его твердость может быть изотропной. Исследования продолжались по состоянию на 2011 год. .

Сетчатый стекловидный углерод

Стеклоуглерод также можно производить в виде пены, называемой сетчатым стеклоуглеродом (СВК). Эта пена была впервые разработана в середине-конце 1960-х годов как теплоизоляционный микропористый стеклоуглеродный электродный материал. Пена РВК представляет собой прочную, инертную, электро- и теплопроводящую, коррозионно-стойкую пористую форму углерода с низким сопротивлением потоку газа и жидкости. Благодаря этим характеристикам РВК наиболее широко используется в научных работах в качестве трехмерного электрода в электрохимии. Кроме того, пены RVC характеризуются исключительно большим объемом пустот, большой площадью поверхности и очень высокой термостойкостью в неокисляющих средах, что позволяет проводить тепловую стерилизацию и облегчает манипуляции в биологических приложениях.

Структура

Структура стеклоуглерода долгое время была предметом дискуссий.

Ранние структурные модели предполагали, что оба sp ² - и сп ³ -связанные атомы присутствовали, но теперь известно, что стеклоуглерод на 100% состоит из sp. ² . Более поздние исследования показали, что стеклоуглерод имеет структуру, родственную фуллерену .

Имеет раковистый излом .

Обратите внимание, что стеклоуглерод не следует путать с аморфным углеродом . Это из ИЮПАК :

«Стеклоподобный углерод нельзя назвать аморфным, поскольку он состоит из двумерных структурных элементов и не имеет «оборванных» связей».

Электрохимические свойства

Стеклоуглеродный электрод (СУЭ) в водных растворах считается инертным электродом для восстановления ионов гидроксония :

${\ce {{\overset {hydronium}{H3O+_{(aq)}}}+ e^- <=>[{\ce {GCE}}] H._{(aq)}}}$       $E^{\ominus }=-2.10\ \mathrm {V}$ по сравнению с NHE при 25 °C

Сравнительная реакция на платину:

${\ce {H3O+_{(aq)}{}+ Pt_{(s)}+ e^- <=> Pt:H_{(s)}}}$       $E^{\ominus }=\ 0.000\ \mathrm {V}$ по сравнению с NHE при 25 °C

Разница в 2,1 В объясняется свойствами платины, которая стабилизирует ковалентную связь Pt-H.

Физические свойства

Свойства включают в себя «высокую термостойкость», твердость (7 по шкале Мооса), низкую плотность, низкое электрическое сопротивление, низкое трение и низкое термическое сопротивление.

Приложения

Благодаря своей специфической ориентации поверхности стеклоуглерод используется в качестве электродного материала для изготовления датчиков. Углеродная паста, стеклоуглеродная паста, стеклоуглеродные электроды и т. д. в модифицированном виде называются химически модифицированными электродами. Стекловидный углерод и композиты углерод/углеродное волокно используются для изготовления зубных имплантатов и сердечных клапанов из-за их биосовместимости, стабильности и простых технологий производства.

См. также

• Электрохимия
• Фуллеры
• Графит
• Поликристаллический кремний
• Шунгит
• Джет

Внешние ссылки

• HTW, сайт поставщика , для стеклоуглерода SIGRADUR