Пиролитический углерод

Пиролитический углерод — это материал, похожий на графит , но с некоторой ковалентной связью между листами графена в результате несовершенства его производства.

Пиролитический углерод создан человеком и, как полагают, не встречается в природе. ^[1] Обычно его получают путем нагревания углеводорода почти до температуры его разложения графита и кристаллизации ( пиролиза ).

Одним из методов является нагревание синтетических волокон в вакууме с получением углеродных волокон .

Он используется в высокотемпературных устройствах, таких как носовые обтекатели ракет , ракетные двигатели, тепловые экраны, лабораторные печи, в армированном графитом пластике , покрытии частиц ядерного топлива и в биомедицинских протезах .

Физические свойства

Образцы пиролитического графита обычно имеют одну плоскость спайности , подобно слюде , поскольку листы графена кристаллизуются в плоском порядке, а не в ^{[ нужны разъяснения ]} пиролитический углерод, образующий микроскопические беспорядочно ориентированные зоны. Из-за этого пиролитический графит проявляет несколько необычных анизотропных свойств. Он более теплопроводен по плоскости спайности, чем пиролитический углерод, что делает его одним из лучших доступных плоских теплопроводников.

Пиролитический графит образует мозаичные кристаллы с контролируемой мозаичностью до нескольких градусов.

Пиролитический графит также более диамагнитен ( χ = −4×10 ⁻⁴) против плоскости спайности, демонстрируя наибольший диамагнетизм (по весу) среди всех диамагнетиков при комнатной температуре. В сравнении ^{[ сомнительно – обсудить ]}, пиролитический графит имеет относительную проницаемость 0,9996, тогда как висмут имеет относительную проницаемость 0,9998 ( таблица ).

Магнитная левитация

Лишь немногие материалы можно заставить стабильно левитировать над магнитным полем постоянного магнита. Хотя магнитное отталкивание очевидно и легко достигается между любыми двумя магнитами, форма поля заставляет верхний магнит отталкиваться в сторону, а не оставаться на опоре, что делает невозможным устойчивую левитацию для магнитных объектов (см. теорему Эрншоу ). Однако сильно диамагнитные материалы могут парить над мощными магнитами.

Благодаря легкой доступности редкоземельных постоянных магнитов, разработанных в 1970-х и 1980-х годах, сильный диамагнетизм пиролитического графита делает его удобным демонстрационным материалом для этого эффекта.

В 2012 году исследовательская группа в Японии продемонстрировала, что пиролитический графит может реагировать на лазерный свет или достаточно мощный естественный солнечный свет, вращаясь или двигаясь в направлении градиента поля. ^[2]^[3] углерода Магнитная восприимчивость ослабевает при достаточном освещении, что приводит к несбалансированной намагниченности материала и движению при использовании определенной геометрии.

Приложения

В неармированном виде он используется для ракет носовых обтекателей и абляционных (с кипящим охлаждением) ракетных двигателей .
В форме волокна он используется для армирования пластмасс и металлов (см. Углеродное волокно и пластик, армированный графитом ).
с галечным слоем Ядерные реакторы используют покрытие из пиролитического углерода в качестве замедлителя нейтронов для отдельных камешков.
Используется для покрытия графитовых кювет (трубок) в атомно-абсорбционных печах с графитовой печью для снижения теплового напряжения и увеличения срока службы кювет.
Пиролитический углерод используется для нескольких применений в электронном терморегулировании: материал теплового интерфейса, теплоотводы (листы) и радиаторы (ребра).
Иногда его используют для изготовления табачных трубок .
Он используется для изготовления решетчатых структур в некоторых мощных электронных лампах .
Он используется в качестве монохроматора для исследований рассеяния нейтронов и рентгеновских лучей.
Протезы клапанов сердца
лучевой головки Протез ^[4]
Он также используется в автомобильной промышленности, где требуется желаемое трение между двумя компонентами.
Высокоориентированный пиролитический графит (ВОПГ) используется в качестве дисперсионного элемента в ВОПГ-спектрометрах, которые используются для рентгеновской спектрометрии.
Используется в средствах индивидуальной защиты. ^[5]

Биомедицинские приложения

Поскольку на нем нелегко образуются тромбы, часто рекомендуется облицовывать протез, контактирующий с кровью, этим материалом, чтобы снизить риск тромбоза . Например, он находит применение в искусственном сердце и искусственных сердечных клапанах . кровеносных сосудов Стенты , напротив, часто покрыты полимером, содержащим гепарин в качестве подвесной группы, что позволяет предотвратить свертывание крови за счет действия лекарства. пиролитического углерода Это, по крайней мере, частично из-за хрупкости и большой степени остаточной деформации , которой стент подвергается во время расширения.

Пиролитический углерод также используется в медицине для покрытия анатомически правильных ортопедических имплантатов, то есть сменных суставов . В этом приложении он в настоящее время продается под названием «PyroCarbon». Эти имплантаты были одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США для использования в руке для замены пястно-фаланговых суставов. Их производят две компании: Tornier (БиоПрофиль) и Ascension Orthopedics. ^[6] 23 сентября 2011 г. Integra LifeSciences приобрела компанию Ascension Orthopedics. Имплантаты из пиролитического углерода компании используются для лечения пациентов с различными формами остеоартрита. ^[7]^[8] В январе 2021 года Integra LifeSciences продала свою ортопедическую компанию компании Smith+Nephew за 240 миллионов долларов. ^[9]

FDA также одобрило замену межфаланговых суставов PyroCarbon в рамках исключения для гуманитарных устройств . ^[10]

Сноски

^ Ратнер, Бадди Д. (2004). Пиролитический углерод. В биоматериаловедении: введение в материалы в медицине . Академическая пресса. п. 171–180. ISBN 0-12-582463-7 . Поиск книг Google. Проверено 7 июля 2011 г.
^ Кобаяши, Масаюки; Абэ, Дзиро (26 декабря 2012 г.). «Оптическое управление движением маглев-графита». Журнал Американского химического общества . 134 (51): 20593–20596. дои : 10.1021/ja310365k . ISSN 0002-7863 . ПМИД 23234502 .
^ Филип Бродвит (4 января 2013 г.). «Аэрохоккей с графитовым аэрохоккеем на магнитной подвеске с лазерным наведением» . Химический мир . РСК .
^ Абдулла, Ирфан Н.; Молони, Диармуид К.; Саймс, Майкл; Касс, Бенджамин (май 2015 г.). «Замена лучевой головки пироуглеродным протезом: ранние клинические результаты». Журнал хирургии ANZ . 85 (5): 368–372. дои : 10.1111/ans.12908 .
^ Технологии, Калифорнийский институт (28 августа 2021 г.). «Новый наноматериал противостоит удару снаряда лучше, чем кевлар» . СайТехДейли . Проверено 18 октября 2021 г.
^ Кук, Стивен Д.; Беккенбо, Роберт Д.; Редондо, Жаклин; Попич, Лаура С.; Клавиттер, Джером Дж.; Линшайд, Рональд Л. (1999). «Долгосрочное наблюдение за пиролитическими углеродными пястно-фаланговыми имплантатами» . Журнал костной и суставной хирургии . 81 (5): 635–48. дои : 10.2106/00004623-199905000-00005 . ПМИД 10360692 . Архивировано из оригинала 28 декабря 2009 г. Проверено 9 ноября 2010 г.
^ Баррера-Очоа, Серджи (сентябрь 2014 г.). «Имплантат с пироуглеродной интерпозицией (PyroDisk) при трапезиометакарпальном остеоартрите: наблюдение минимум в течение 5 лет» . Журнал хирургии руки . 39 (11): 2150–2160. дои : 10.1016/j.jhsa.2014.07.011 . PMID 25218138 – через ResearchGate.
^ Орбай, Хорхе Л. (декабрь 2020 г.). «Седловидная гемиартропластика при остеоартрозе КМК» . Оперативные методы в ортопедии . 30 (4): 100828. doi : 10.1016/j.oto.2020.100828 . S2CID 226363686 .
^ «Smith + Nephew закрывает покупку компании Extremity Orthopedics» . Массовое устройство . 04.01.2021 . Проверено 18 октября 2021 г.
^ «PIP Ascension: Краткое описание безопасности и возможных преимуществ HDE # H010005» (PDF) . Управление по контролю за продуктами и лекарствами. 22 марта 2002 года . Проверено 7 июля 2011 г.

[ratner-1] Ратнер, Бадди Д. (2004). Пиролитический углерод. В биоматериаловедении: введение в материалы в медицине . Академическая пресса. п. 171–180. ISBN 0-12-582463-7 . Поиск книг Google. Проверено 7 июля 2011 г.

[2] Кобаяши, Масаюки; Абэ, Дзиро (26 декабря 2012 г.). «Оптическое управление движением маглев-графита». Журнал Американского химического общества . 134 (51): 20593–20596. дои : 10.1021/ja310365k . ISSN 0002-7863 . ПМИД 23234502 .

[3] Филип Бродвит (4 января 2013 г.). «Аэрохоккей с графитовым аэрохоккеем на магнитной подвеске с лазерным наведением» . Химический мир . РСК .

[4] Абдулла, Ирфан Н.; Молони, Диармуид К.; Саймс, Майкл; Касс, Бенджамин (май 2015 г.). «Замена лучевой головки пироуглеродным протезом: ранние клинические результаты». Журнал хирургии ANZ . 85 (5): 368–372. дои : 10.1111/ans.12908 .

[5] Технологии, Калифорнийский институт (28 августа 2021 г.). «Новый наноматериал противостоит удару снаряда лучше, чем кевлар» . СайТехДейли . Проверено 18 октября 2021 г.

[Cook1999-6] Кук, Стивен Д.; Беккенбо, Роберт Д.; Редондо, Жаклин; Попич, Лаура С.; Клавиттер, Джером Дж.; Линшайд, Рональд Л. (1999). «Долгосрочное наблюдение за пиролитическими углеродными пястно-фаланговыми имплантатами» . Журнал костной и суставной хирургии . 81 (5): 635–48. дои : 10.2106/00004623-199905000-00005 . ПМИД 10360692 . Архивировано из оригинала 28 декабря 2009 г. Проверено 9 ноября 2010 г.

[7] Баррера-Очоа, Серджи (сентябрь 2014 г.). «Имплантат с пироуглеродной интерпозицией (PyroDisk) при трапезиометакарпальном остеоартрите: наблюдение минимум в течение 5 лет» . Журнал хирургии руки . 39 (11): 2150–2160. дои : 10.1016/j.jhsa.2014.07.011 . PMID 25218138 – через ResearchGate.

[8] Орбай, Хорхе Л. (декабрь 2020 г.). «Седловидная гемиартропластика при остеоартрозе КМК» . Оперативные методы в ортопедии . 30 (4): 100828. doi : 10.1016/j.oto.2020.100828 . S2CID 226363686 .

[9] «Smith + Nephew закрывает покупку компании Extremity Orthopedics» . Массовое устройство . 04.01.2021 . Проверено 18 октября 2021 г.

[HDE-10] «PIP Ascension: Краткое описание безопасности и возможных преимуществ HDE # H010005» (PDF) . Управление по контролю за продуктами и лекарствами. 22 марта 2002 года . Проверено 7 июля 2011 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]