Il carbonio è uno degli elementi più comuni in natura e racchiude le proprietà di quasi tutte le sostanze presenti sulla Terra.Presenta un'ampia gamma di caratteristiche, come durezza e morbidezza variabili, comportamento isolante-semiconduttore-superconduttore, isolamento termico-superconduttività e assorbimento della luce-trasparenza completa.Tra questi, i materiali con ibridazione sp2 sono i principali membri della famiglia dei materiali di carbonio, tra cui grafite, nanotubi di carbonio, grafene, fullereni e carbonio vetroso amorfo.
Campioni di grafite e carbonio vetroso
Sebbene i materiali precedenti siano ben noti, oggi concentriamoci sul carbonio vetroso.Il carbonio vetroso, noto anche come carbonio vetroso o carbonio vetroso, combina le proprietà del vetro e della ceramica in un materiale di carbonio non grafitico.A differenza della grafite cristallina, è un materiale di carbonio amorfo che è ibridato sp2 quasi al 100%.Il carbonio vetroso viene sintetizzato mediante sinterizzazione ad alta temperatura di composti organici precursori, come resine fenoliche o resine di alcol furfurilico, in atmosfera di gas inerte.Il suo aspetto nero e la superficie liscia simile al vetro gli hanno valso il nome di “carbonio vetroso”.
Sin dalla sua prima sintesi da parte degli scienziati nel 1962, la struttura e le proprietà del carbonio vetroso sono state ampiamente studiate e rimangono un tema caldo nel campo dei materiali di carbonio.Il carbonio vetroso può essere classificato in due tipi: carbonio vetroso di Tipo I e di Tipo II.Il carbonio vetroso di tipo I viene sinterizzato da precursori organici a temperature inferiori a 2000°C ed è costituito principalmente da frammenti di grafene arricciati orientati in modo casuale.Il carbonio vetroso di tipo II, d'altra parte, viene sinterizzato a temperature più elevate (~2500°C) e forma una matrice tridimensionale amorfa multistrato di strutture sferiche autoassemblate simili al fullerene (come mostrato nella figura seguente).
Rappresentazione della struttura del carbonio vetroso (a sinistra) e immagine al microscopio elettronico ad alta risoluzione (a destra)
Ricerche recenti hanno scoperto che il carbonio vetroso di Tipo II mostra una comprimibilità maggiore rispetto al Tipo I, che è attribuita alle sue strutture sferiche autoassemblate simili al fullerene.Nonostante lievi differenze geometriche, sia le matrici di carbonio vetroso di Tipo I che di Tipo II sono essenzialmente composte da grafene arricciato disordinato.
Applicazioni del carbonio vetroso
Il carbonio vetroso possiede numerose proprietà eccezionali, tra cui bassa densità, elevata durezza, elevata resistenza, elevata impermeabilità a gas e liquidi, elevata stabilità termica e chimica, che lo rendono ampiamente applicabile in settori quali l'industria manifatturiera, la chimica e l'elettronica.
01 Applicazioni ad alta temperatura
Il carbonio vetroso mostra resistenza alle alte temperature in ambienti con gas inerte o vuoto, resistendo a temperature fino a 3000°C.A differenza di altri materiali ceramici e metallici ad alta temperatura, la resistenza del carbonio vetroso aumenta con la temperatura e può raggiungere fino a 2700K senza diventare fragile.Possiede inoltre massa ridotta, basso assorbimento di calore e bassa espansione termica, che lo rendono adatto a varie applicazioni ad alta temperatura, inclusi tubi di protezione per termocoppie, sistemi di caricamento e componenti di forni.
02 Applicazioni chimiche
Grazie alla sua elevata resistenza alla corrosione, il carbonio vetroso trova ampio utilizzo nelle analisi chimiche.Le apparecchiature realizzate in carbonio vetroso offrono vantaggi rispetto agli apparecchi da laboratorio convenzionali realizzati in platino, oro, altri metalli resistenti alla corrosione, ceramiche speciali o fluoroplastiche.Questi vantaggi includono la resistenza a tutti gli agenti di decomposizione umidi, l'assenza di effetto memoria (adsorbimento e desorbimento incontrollato di elementi), l'assenza di contaminazione dei campioni analizzati, la resistenza agli acidi e alle fusioni alcaline e una superficie vetrosa non porosa.
03 Odontotecnica
I crogioli vetrosi al carbonio sono comunemente utilizzati nell'odontoiatria per la fusione di metalli preziosi e leghe di titanio.Offrono vantaggi come elevata conduttività termica, durata di vita più lunga rispetto ai crogioli in grafite, nessuna adesione di metalli preziosi fusi, resistenza agli shock termici, applicabilità a tutti i metalli preziosi e le leghe di titanio, utilizzo nelle centrifughe per colata a induzione, creazione di atmosfere protettive sui metalli fusi, ed eliminazione della necessità di flusso.
L'utilizzo di crogioli in carbonio vetroso riduce i tempi di riscaldamento e fusione e consente alle serpentine di riscaldamento dell'unità di fusione di funzionare a temperature più basse rispetto ai tradizionali contenitori ceramici, diminuendo così il tempo necessario per ogni fusione e allungando la vita del crogiolo.Inoltre, la sua non bagnabilità elimina i problemi di perdita di materiale.
04 Applicazioni dei semiconduttori
Il carbonio vetroso, con la sua elevata purezza, eccezionale resistenza alla corrosione, assenza di generazione di particelle, conduttività e buone proprietà meccaniche, è un materiale ideale per la produzione di semiconduttori.Crogioli e navicelle realizzati in carbonio vetroso possono essere utilizzati per la fusione a zone di componenti semiconduttori utilizzando i metodi Bridgman o Czochralski, la sintesi dell'arseniuro di gallio e la crescita di cristalli singoli.Inoltre, il carbonio vetroso può fungere da componenti nei sistemi di impianto ionico e dagli elettrodi nei sistemi di attacco al plasma.La sua elevata trasparenza ai raggi X rende inoltre i trucioli di carbonio vetrosi adatti ai substrati delle maschere a raggi X.
In conclusione, il carbonio vetroso offre proprietà eccezionali che includono resistenza alle alte temperature, inerzia chimica ed eccellenti prestazioni meccaniche, che lo rendono adatto a un'ampia gamma di applicazioni in vari settori.
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Orario di pubblicazione: 18 dicembre 2023