Стекловидный углерод - Glassy carbon

Большой образец стеклоуглерода с графитовым кубом объемом 1 см 3 для сравнения.
Маленький стержень из стеклоуглерода
Стекловидно-стеклоуглеродные тигли

Стекло, как углерод , который часто называют стеклоуглеродом или стекловидным углеродом , является неграфитизированным или nongraphitizable, углерод , который сочетает в себе стекловидные и керамические свойства со свойствами графита . Наиболее важными свойствами являются высокая термостойкость, твердость (7 по  шкале Мооса ), низкая плотность, низкое электрическое сопротивление, низкое трение, низкое термическое сопротивление, чрезвычайная стойкость к химическому воздействию и непроницаемость для газов и жидкостей. Стеклоуглерод широко используется в качестве электродного материала в электрохимии , для высокотемпературных тиглей и в качестве компонента некоторых протезных устройств. Он может быть изготовлен в различных формах, размерах и сечениях.

Названия « стеклоуглерод» и « стекловидный углерод» зарегистрированы как торговые марки, и IUPAC не рекомендует использовать их в качестве технических терминов.

Стекловидный углерод также может производиться в виде пены, называемой сетчатым стекловидным углеродом (RVC). Эта пена была впервые разработана в середине-конце 1960-х годов как теплоизолирующий микропористый стеклоуглеродный электродный материал. Пена RVC - это прочная, инертная, электрически и теплопроводная и коррозионно-стойкая пористая форма углерода с низким сопротивлением потоку газа и жидкости. Благодаря этим характеристикам RVC наиболее широко используется в научной работе 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.

Исторический обзор стеклоуглерода был опубликован в 2021 году.

История

Стеклоуглерод был впервые обнаружен в лабораториях компании Carborundum Company, Манчестер, Великобритания, в середине 1950-х годов Бернардом Редферном , ученым-материаловедом и технологом по алмазам. Он заметил, что скотч, который он использовал для удержания керамических образцов (сопла ракеты) в печи, сохранял своего рода структурную идентичность после обжига в инертной атмосфере. Он искал полимерную матрицу , чтобы отразить структуру алмаза и обнаружил резольную смолу , которая, со специальной подготовкой, установленной без катализатора. Из этой фенольной смолы были изготовлены тигли, которые были розданы таким организациям, как UKAEA Harwell.

Бернард Редферн покинул компанию Carborundum Co., которая официально списала со счетов все интересы в изобретении стеклоуглерода. Работая в лаборатории компании Plessey (в заброшенной церкви) в Таустере, Великобритания, Редферн получил от UKAEA тигель из стеклоуглерода для дублирования. Он определил, что это он сделал из отметок, которые он выгравировал на неотвержденном прекурсоре перед карбонизацией - выгравировать готовый продукт почти невозможно. Компания Plessey создала лабораторию, сначала на фабрике, которая раньше использовалась для изготовления трубок из бриара в Личборо, а затем - на постоянном предприятии в Касуэлле, недалеко от Блэйксли. Сайт в Касуэлле стал Исследовательским центром Плесси, а затем Исследовательским центром Аллена Кларка. Стеклянный углерод прибыл в Plessey Company Limited как свершившийся факт. Дж. К. Льюис был назначен в Редферн лаборантом по производству стеклоуглерода. Ф. К. Каулард был назначен в отдел Редферна позже в качестве администратора лаборатории - Каулард был администратором, ранее имевшим некоторую связь с Силаном (3 ноября 1964 г., патент США 3155621, правопреемник Силана). Ни он, ни Льюис ранее не имели отношения к стеклоуглероду. Вклад Бернарда Редферна в изобретение и производство стеклообразного / стекловидного углерода отмечен его соавторством в ранних статьях. Но ссылки на Редферна не были очевидны в последующих публикациях Коуларда и Льюиса. Существуют оригинальные тигли для лодок, стержни толстого сечения и образцы-прекурсоры.

Заявка Редферна на патент в Великобритании была подана 11 января 1960 года, а Бернард Редферн 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 предшествующий уровень техники не упоминается в патенте США 4668496 от 26 мая 1987 г. на стекловидный углерод. Были поданы патенты на «Тела и формы из углеродистых материалов и способы их производства», а название «Стекловидный углерод» было подарено продукту сыном Редферна.

Стекловидный / стекловидный углерод исследовался для использования в компонентах систем термоядерной детонации, и, по крайней мере, некоторые патенты, связанные с этим материалом, были аннулированы (в интересах национальной безопасности) в 1960-х годах.

Большие срезы исходного материала были изготовлены в виде отливок, отливок или механически обработаны для придания заданной формы. Изготавливались тигли и другие формы. Карбонизация проходила в два этапа. Усадка во время этого процесса значительна (48,8%), но абсолютно равномерна и предсказуема. Гайка и болт могут быть изготовлены по размеру в полимерной форме, обработаны отдельно, но одинаково, что впоследствии дает идеальную посадку.

Некоторые из первых сверхчистых образцов арсенида галлия (GaAs) подвергались зонной очистке в этих тиглях (стеклоуглерод не реагирует с GaAs ).

Легированный / загрязненный стеклоуглерод проявляет полупроводниковые явления.

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

11 октября 2011 года исследование, проведенное в геофизической лаборатории Карнеги под руководством Венди Л. Мао из Стэнфорда и ее аспирантки Ю Линь, описало новую форму стеклоуглерода, образовавшуюся под высоким давлением с твердостью, равную алмазу, - разновидность алмаза. -подобный углерод . Однако, в отличие от алмаза, его структура представляет собой аморфный углерод, поэтому его твердость может быть изотропной. Исследования продолжались по состоянию на 2011 год.

Состав

Структура стеклоуглерода давно стала предметом споров.

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

Он показывает раковинный перелом .

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

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

Электрохимические свойства

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

      по сравнению с NHE при 25 ° C

Сопоставимая реакция на платину:

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

Преимущества

Из-за своей специфической ориентации поверхности стеклоуглерод используется в качестве электродного материала для изготовления сенсоров. Углеродная паста, стеклоуглеродная паста, стеклоуглерод и т. Д. Электроды, модифицированные, называются химически модифицированными электродами. Стекловидный углерод и композиты углерод / углеродное волокно используются для зубных имплантатов и сердечных клапанов из-за их биосовместимости, стабильности и простых технологий производства.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки