اكتشف الخصائص والتطبيقات الفريدة للكربون الزجاجي

يعد الكربون أحد العناصر الأكثر شيوعًا في الطبيعة، حيث يشمل خصائص جميع المواد الموجودة على الأرض تقريبًا. إنه يعرض مجموعة واسعة من الخصائص، مثل الصلابة والنعومة المتفاوتة، وسلوك الموصل الفائق للعزل وأشباه الموصلات، والموصلية الفائقة للعزل الحراري، وامتصاص الضوء والشفافية الكاملة. من بين هذه المواد، المواد ذات التهجين sp2 هي الأعضاء الرئيسيين في عائلة المواد الكربونية، بما في ذلك الجرافيت وأنابيب الكربون النانوية والجرافين والفوليرين والكربون الزجاجي غير المتبلور.

عينات الجرافيت والكربون الزجاجي

في حين أن المواد السابقة معروفة، دعونا نركز على الكربون الزجاجي اليوم. يجمع الكربون الزجاجي، المعروف أيضًا باسم الكربون الزجاجي أو الكربون الزجاجي، بين خصائص الزجاج والسيراميك في مادة كربونية غير غرافيتية. على عكس الجرافيت البلوري، فهو مادة كربونية غير متبلورة ومهجنة بنسبة 100% تقريبًا. يتم تصنيع الكربون الزجاجي عن طريق تلبيد المركبات العضوية الأولية عند درجة حرارة عالية، مثل الراتنجات الفينولية أو راتنجات كحول الفورفوريل، تحت جو غاز خامل. مظهره الأسود وسطحه الأملس الشبيه بالزجاج أكسبه اسم "الكربون الزجاجي".

منذ تركيبه الأول من قبل العلماء في عام 1962، تمت دراسة بنية وخصائص الكربون الزجاجي على نطاق واسع ويظل موضوعًا ساخنًا في مجال مواد الكربون. يمكن تصنيف الكربون الزجاجي إلى نوعين: النوع الأول والنوع الثاني من الكربون الزجاجي. يتم تلبيد الكربون الزجاجي من النوع الأول من السلائف العضوية عند درجات حرارة أقل من 2000 درجة مئوية ويتكون بشكل أساسي من شظايا الجرافين الملتفة بشكل عشوائي. من ناحية أخرى، يتم تلبيد الكربون الزجاجي من النوع الثاني عند درجات حرارة أعلى (~ 2500 درجة مئوية) ويشكل مصفوفة غير متبلورة متعددة الطبقات ثلاثية الأبعاد من هياكل كروية ذاتية التجميع تشبه الفوليرين (كما هو موضح في الشكل أدناه).

تمثيل هيكل الكربون الزجاجي (يسار) وصورة المجهر الإلكتروني عالية الدقة (يمين)

وجدت الأبحاث الحديثة أن الكربون الزجاجي من النوع الثاني يُظهر قابلية انضغاطية أعلى من النوع الأول، وهو ما يُعزى إلى هياكله الكروية ذاتية التجميع والتي تشبه الفوليرين. على الرغم من الاختلافات الهندسية الطفيفة، فإن كلا من مصفوفات الكربون الزجاجية من النوع الأول والنوع الثاني تتكون أساسًا من جرافين مجعد غير منتظم.

تطبيقات الكربون الزجاجي

يمتلك الكربون الزجاجي العديد من الخصائص المتميزة، بما في ذلك الكثافة المنخفضة، والصلابة العالية، والقوة العالية، والنفاذية العالية للغازات والسوائل، والاستقرار الحراري والكيميائي العالي، مما يجعله قابلاً للتطبيق على نطاق واسع في صناعات مثل التصنيع والكيمياء والإلكترونيات.

01 تطبيقات درجات الحرارة العالية

يُظهر الكربون الزجاجي مقاومة عالية لدرجات الحرارة في الغاز الخامل أو البيئات الفراغية، ويتحمل درجات حرارة تصل إلى 3000 درجة مئوية. على عكس المواد الخزفية والمعدنية الأخرى التي تتحمل درجات الحرارة العالية، فإن قوة الكربون الزجاجي تزداد مع ارتفاع درجة الحرارة ويمكن أن تصل إلى 2700 كلفن دون أن تصبح هشة. كما أنها تتميز بكتلة منخفضة، وامتصاص منخفض للحرارة، وتمدد حراري منخفض، مما يجعلها مناسبة لمختلف تطبيقات درجات الحرارة العالية، بما في ذلك أنابيب الحماية المزدوجة الحرارية، وأنظمة التحميل، ومكونات الفرن.

02 التطبيقات الكيميائية

نظرًا لمقاومته العالية للتآكل، يجد الكربون الزجاجي استخدامًا واسع النطاق في التحليل الكيميائي. توفر المعدات المصنوعة من الكربون الزجاجي مزايا مقارنة بأجهزة المختبرات التقليدية المصنوعة من البلاتين أو الذهب أو معادن أخرى مقاومة للتآكل أو السيراميك الخاص أو البلاستيك الفلوري. وتشمل هذه المزايا مقاومة جميع العوامل المتحللة الرطبة، وعدم وجود تأثير للذاكرة (امتزاز العناصر وامتصاصها غير المنضبط)، وعدم تلوث العينات التي تم تحليلها، ومقاومة الأحماض والذوبان القلوي، وسطح زجاجي غير مسامي.

03 تكنولوجيا طب الأسنان

تُستخدم بوتقات الكربون الزجاجية بشكل شائع في تكنولوجيا طب الأسنان لصهر المعادن الثمينة وسبائك التيتانيوم. أنها توفر مزايا مثل الموصلية الحرارية العالية، وعمر أطول مقارنة ببوتقات الجرافيت، وعدم التصاق المعادن الثمينة المنصهرة، ومقاومة الصدمات الحرارية، وقابلية التطبيق على جميع المعادن الثمينة وسبائك التيتانيوم، والاستخدام في أجهزة الطرد المركزي للصب التعريفي، وخلق أجواء وقائية على المعادن المنصهرة، والقضاء على الحاجة إلى التدفق.

إن استخدام البوتقات الكربونية الزجاجية يقلل من أوقات التسخين والذوبان ويسمح لملفات التسخين الخاصة بوحدة الصهر بالعمل في درجات حرارة أقل من الحاويات الخزفية التقليدية، وبالتالي تقليل الوقت اللازم لكل عملية صب وإطالة عمر البوتقة. علاوة على ذلك، فإن عدم قابليته للبلل يزيل المخاوف المتعلقة بخسارة المواد.

04 تطبيقات أشباه الموصلات

يعد الكربون الزجاجي، بنقاوته العالية، ومقاومته الاستثنائية للتآكل، وغياب توليد الجسيمات، والموصلية، والخواص الميكانيكية الجيدة، مادة مثالية لإنتاج أشباه الموصلات. يمكن استخدام البوتقات والقوارب المصنوعة من الكربون الزجاجي لذوبان مكونات أشباه الموصلات في المنطقة باستخدام طرق بريدجمان أو تشوتشرالسكي، وتخليق زرنيخيد الغاليوم، ونمو بلورة واحدة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يعمل الكربون الزجاجي كمكونات في أنظمة زرع الأيونات والأقطاب الكهربائية في أنظمة حفر البلازما. كما أن شفافيتها العالية للأشعة السينية تجعل رقائق الكربون الزجاجية مناسبة لركائز قناع الأشعة السينية.

في الختام، يوفر الكربون الزجاجي خصائص استثنائية تشمل مقاومة درجات الحرارة العالية، والخمول الكيميائي، والأداء الميكانيكي الممتاز، مما يجعله مناسبًا لمجموعة واسعة من التطبيقات في مختلف الصناعات.

اتصل بـ Semicera للحصول على منتجات الكربون الزجاجية المخصصة.
بريد إلكتروني:sales05@semi-cera.com