Стекловидный углерод - Glassy carbon

Большой образец стеклоуглерода толщиной 1 см.3 графитовый куб для сравнения
Маленький стержень из стеклоуглерода
Стекловидно-стеклоуглеродные тигли

Стеклоподобный углерод, часто называют стеклоуглерод или стекловидный углерод, это неграфитизирующий, или не графитизируемый, углерод который сочетает в себе гладкость и керамика свойства с теми из графит. Важнейшие свойства - жаростойкость, твердость (7Моос ), 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 электрохимия, для высокой температуры тигли, и как компонент некоторых протезов. Он может быть изготовлен в различных формах, размерах и сечениях.

Имена стеклоуглерод и стекловидный углерод были зарегистрированы как товарные знаки, и ИЮПАК не рекомендует использовать их в качестве технических терминов.[1]

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 теплоизоляционный 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.[2] Кроме того, пены RVC характеризуются исключительно большим объемом пустот, большой площадью поверхности и очень высоким термическим сопротивлением в неокисляющих средах, что позволяет проводить тепловую стерилизацию и облегчает манипуляции в биологических приложениях.

История

Стеклоуглерод был впервые обнаружен в лабораториях компании Carborundum, Манчестер, Великобритания, в середине 1950-х годов. Бернард Редферн, материаловед и алмазный технолог. Он заметил, что Скотч Он держал керамические образцы (сопла ракеты) в печи, сохраняя своего рода структурную идентичность после обжига в инертной атмосфере. Он искал полимерную матрицу, отражающую структуру алмаза, и обнаружил Resole смола, которая при специальной подготовке затвердевала бы без катализатора. Тигли были изготовлены из этой фенольной смолы и распространены среди таких организаций, как UKAEA Харвелл.

Бернард Редферн покинул Carborundum Co., которая официально списала со счетов все интересы в изобретении стеклоуглерода. Во время работы в Компания Плесси Лаборатория (в заброшенной церкви) в Таустере, Великобритания, Редферн получила от UKAEA тигель из стеклоуглерода для дублирования. Он определил, что это он сделал из маркировок, которые он выгравировал на неотвержденном прекурсоре перед карбонизацией - выгравировать готовый продукт почти невозможно. Компания Plessey создала лабораторию, сначала на заводе, ранее использовавшемся для изготовления трубок из бриара в Личборо, а затем - на постоянном предприятии в Касуэлле, недалеко от Блэйксли. Касуэлл 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. F.C. Позже Каулард был назначен в отдел Редферна в качестве администратора лаборатории - Каулард был администратором, ранее имевшим некоторую связь с Силаном (Силан, патент США 3,155,621, 3 ноября 1964 г.). 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.[3] Но ссылки на Редферна не были очевидны в последующих публикациях Коуларда и Льюиса.[4] Существуют оригинальные тигли для лодок, стержни толстого сечения и образцы-прекурсоры.

Заявка Редферна на патент в Великобритании была подана 11 января 1960 года, и Бернард Редферн был автором патента США US3109712A, выданного 5 ноября 1963 года, с датой приоритета 11 января 1960 года, датой подачи 9 января 1961 года.[5] Это произошло после отмены 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 углеродистых материалов и способы их производства», а название «Стекловидный углерод» даровано продукту сыном Редферна.

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

Большие срезы исходного материала были изготовлены в виде отливок, отливок или обработаны на станке с приданием заданной формы. Изготавливались тигли и другие формы. Карбонизация проходила в два этапа. Усадка при этом значительна (48,8%), но абсолютно равномерна и предсказуема. Гайка и болт могут быть изготовлены по размеру полимера, обработаны отдельно и впоследствии идеально подходят.

Некоторые из первых сверхчистых образцов арсенид галлия прошли зонную очистку в этих тиглях. (Стеклоуглерод чрезвычайно чистый и не реагирует с GaAs).

Легированный / нечистый стеклоуглерод демонстрирует полупроводниковые явления.

Были изготовлены включения карбида урана (с использованием карбида U238 в экспериментальном масштабе).

11 октября 2011 года исследование, проведенное в Геофизической лаборатории Карнеги под руководством Венди Л. Мао из Стэнфорда и ее аспирантки Ю Лин, описало новую форму стеклоуглерода, образовавшуюся под высоким давлением с твердостью, равной алмазу, что-то вроде алмазоподобный углерод. В отличие от алмаза, однако его структура состоит из аморфный углерод поэтому его твердость может быть изотропной. Исследования продолжаются {По состоянию на! 2011 | lc = y}}.[6]

Структура

Структура стеклоуглерода уже давно является предметом споров. Ранние структурные модели предполагали, что оба зр2- и зр3скрепленный присутствовали атомы углерода, но теперь известно, что стеклоуглерод на 100% состоит из2. Более поздние исследования показали, что стеклоуглерод имеет фуллерен -связанная структура.[7]

Обратите внимание, что стеклоуглерод не следует путать с аморфный углерод. Это из IUPAC: «Стеклоподобный углерод нельзя назвать аморфным углеродом, потому что он состоит из двумерных структурных элементов и не имеет« оборванных »связей».[1]

Он демонстрирует раковистый перелом.

Электрохимические свойства

Стеклоуглеродный электрод (ГЭЭ) в водных растворах считается инертным электродом для гидроксоний ионное восстановление:[8]

      против 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.[8]

Физические свойства

Свойства включают «термостойкость», твердость (7 по шкале Мооса), низкую плотность, низкое электрическое сопротивление, низкое трение и низкое термическое сопротивление.[нужна цитата ]

Преимущества

Из-за своей специфической ориентации поверхности стеклоуглерод используется в качестве электродного материала для изготовления датчиков. Углеродная паста, стеклоуглеродная паста, стеклоуглеродистая паста и т. Д., Модифицированные электроды называются химически модифицированными электродами.[9] 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

Рекомендации

  1. ^ а б Запись «Стекловидный углерод» в Золотую книгу ИЮПАК.
  2. ^ Walsh, F.C .; Arenas, L.F .; Понсе де Леон, С .; Рид, G.W .; Уайт, I .; Меллор, Б. (2016). «Постоянное развитие сетчатого стекловидного углерода как универсального электродного материала: структура, свойства и применение» (PDF). Electrochimica Acta. 215: 566–591. Дои:10.1016 / j.electacta.2016.08.103.
  3. ^ Lewis, J.C .; Redfern, B .; Cowlard, F.C. (1963). «Стекловидный углерод как материал тигля для полупроводников». Твердотельная электроника. 6 (3): 251–254. Bibcode:1963ССЭле ... 6..251Л. Дои:10.1016/0038-1101(63)90081-9.
  4. ^ Cowlard, F.C .; Льюис, Дж. К. (1967). «Стекловидный углерод - новая форма углерода». Журнал материаловедения. 2 (6): 507–512. Bibcode:1967J МАТЫ ... 2..507C. Дои:10.1007 / BF00752216.
  5. ^ https://www.google.com/patents/US3109712
  6. ^ Обнаружена новая форма сверхтвердого углерода
  7. ^ Харрис, П.Дж.Ф. (2003). «Фуллереновая структура товарных стеклоуглеродов» (PDF). Философский журнал. 84 (29): 3159–3167. Bibcode:2004PMag ... 84.3159H. CiteSeerX  10.1.1.359.5715. Дои:10.1080/14786430410001720363.
  8. ^ а б Сойер, Д. Т .; Собковяк, А .; Робертс, Дж. Л., младший (1995). Электрохимия для химиков (Второе изд.). Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. ISBN  978-0-471-59468-0.
  9. ^ Сангхави, Банким; Шривастава, Ашвини (2010). «Одновременное вольтамперометрическое определение ацетаминофена, аспирина и кофеина с использованием in situ модифицированного поверхностно-активным веществом многослойного пастообразного электрода из углеродных нанотрубок». Electrochimica Acta. 55 (28): 8638–8648. Дои:10.1016 / j.electacta.2010.07.093.

внешняя ссылка