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《Carbon 》

《 新 型 炭 材 料

《 碳 术 语 辞 典 》
《 纳 米 碳 管 》
 
玻璃炭
(GLASSY CARBON)

  玻璃炭属於特殊炭材料,是树脂炭家族中的一个成员。它兼有炭材料和玻璃的特性,它的热和电性能与其它炭材料相似,又和玻璃一样,在其自身的结构里没有开孔呈不透气性,机械性能也与玻璃相似,且具有特殊的玻璃形状的断口和光泽。

  在20世纪60年代初,随着原子能反应堆的发展,引起了人们对高温气体冷却反应堆用不透气性石墨的关注。为了用于高温气体冷却型原子反应堆,最初的研究者是把玻璃炭作为包铀燃料的外壳来制造的。 在1961年Dàvidson首先提出制造玻璃炭的专利申请,同年Tsuzuku T在第五次国际炭会议上作了无定形玻璃态不透气性碳即所谓玻璃炭的演讲。接着,日本、美国和法国的研究者开展了有关这种材料制备和特性研究的工作。为了制成碳微晶之间交联极度发达的碳, 各国研究者采用了不同的原料和工艺路线制备出不同形状的玻璃炭,并对其形成机理、结构特征、性能和应用等方面进行了大量的研究。在其研究热潮中中国科学院山西煤炭化学研究所也于1967年在我国首次研制出平板状和管状玻璃炭。总之,在这段时间里玻璃炭的研制取得了长足进展。但是,在研制过程中发现以不同聚合物为前驱体进行热结构化的过程中存在着以下三个主要问题:(1)如何达到残碳量和碳实收率的最大值;(2)如何将易挥发物从残余物中逸出而不破坏其形状结构;(3)如何避免因与热解相关的放热化学反应所引起的不可控制的加热升温。70年代以来,研究者发现所用原料的最大交联度有10%左右的偏差不影响碳微孔结构和玻璃炭的机械性能,这就为克服玻璃炭制备过程中所出现的上述三个问题提供了一定程度的可能性。同时,还借助于红外光谱、X-射线谱、激光喇曼光谱、13C核磁共振波谱和电子显微镜等现代物理分析方法对生成不可石墨化炭的聚合物的炭化产物进行了进一步研究,指出玻璃炭的结构是大量的随机排列的类石墨层形成的网络结构,而并非象石墨那样的层状结构。这一观点与早期学者提出的玻璃炭在其形成过程中所产生的大量挥发分逸出遗留下来空孔穴的说法及碳的织构化的一贯的生成机理和结构特征明显的区别是在于二维方向上表现出一种长程有序的结构。这种被称之类带状结构,互相缠绕的芳香族分子以碳-碳之间的共价键连结在一起,既有SP2杂化,又有SP3杂化,其中一些键被高度扭曲。这些键的组合使玻璃炭具备了各向同性、高强度、高硬度、易脆裂、多微孔和低密度的特征。

  针对不同的应用要求,文献资料中介绍了许多玻璃炭的制备方法,如浇注成型法、离心成型法、多层涂敷成型法、模(或挤)压成型法等。但其基本工艺均是将特殊处理后的高分子预聚物经低温固化成型制得生坯,之后继续在无氧介质中进行1000℃左右的炭化处理,得到初级玻璃炭制品,再经2000℃~3000℃高温处理制备出纯度更高的玻璃炭制品。概括其制备工艺路线为:树脂制备→固化成型→脱模→后固化→炭化(特殊条件下1000℃~1200℃处理)→半石墨化(特殊条件下2000℃处理)→石墨化(2800℃~3000℃处理)。这样便可制备出不同规格和形状的玻璃炭制品,例如坩埚类玻璃炭(圆底型、烧杯型、平底形和锥型等),舟皿类玻璃炭(园底型、锥型、长方型和平底型等),导管、保护管、棒、板类、小型夹具等特殊型玻璃炭,纤维状和微小球状玻璃炭以及玻璃状炭薄膜。不管制成何种形状,一经成型即可根据制品形状来决定炭化方法。

  由于玻璃炭的突出性能表现在耐氧化及耐化学腐蚀、不透气性、高导电和高导热性、耐磨擦、耐烧蚀、纯度高、不沾污和良好的生物相容性,因而它被广泛地应用于电子工业、半导体工业、冶金工业、化学工业、核工业、宇航和医学研究等各个领域。例如在硅外延生长工程中所必需的加热板,用于制作化合物半导体(如GaAs)的单晶,制作成直线加速器用的狭缝,制作成玻璃炭电极和把玻璃炭颗粒做为气相色谱用的充填材料,制作成高温腐蚀性气氛用的温度计的保护管和气体吹入管、搅拌棒(电子工业用浸蚀溶液)和低温热敏电阻温度计。玻璃炭亦可做为闪烁计数器、光激射器等用的卤化硷巨大单晶、光学工业硫化镉制造用的容器、无硷玻璃制造用的坩埚、金属熔敷用电极和金属熔出用电极以及用玻璃炭制作的人造假体作为移植材料应用于医学(如人工心脏瓣)和牙科的许多方面。近年来,对高密度玻璃炭薄膜用于燃料电池的需求也逐渐地增加。它对热H3PO4的耐腐蚀性很好,作为火箭喷咀材料更受注目,前途不可限量。

  总之,人们在新世纪为合理使用材料,提高质量,剪裁结构,使其性能能满足不断变化着的需求,还应该探索新理论、开辟新方法,玻璃炭仍将是今后迅速开展的研究对象。

赵根祥 供稿

From 新型炭材料 2000 Vol.15 No.1 P.79