碳是自然界中最常見的元素之一，它幾乎包括了地球上所有物質(zhì)所具有的性質(zhì)，如最硬-最軟、絕緣體-半導(dǎo)體-超導(dǎo)體、絕熱-超導(dǎo)熱、吸光-全透光等。其中，sp2雜化的材料是碳材料家族中的主要成員，常見的有石墨、碳納米管、石墨烯、富勒烯以及無序的玻璃碳等。

　　前面幾種大家都非常了解了，今天主要聊聊玻璃碳。查閱資料得知，玻璃碳（glassy carbon，簡稱玻碳）是結(jié)合了玻璃和陶瓷的屬性的非石墨化碳。與晶態(tài)的石墨相反，它是一種無定形的、近100%sp2雜化的碳材料，其是由聚合有機(jī)物前驅(qū)體，例如酚醛樹脂、糠醇樹脂等，在惰性氣體氛圍下高溫?zé)Y(jié)而成的。因其通體呈黑色，表面光滑類似玻璃，故將其稱為玻璃碳。

　　自1962年科學(xué)家首次合成出玻璃碳以來，關(guān)于玻璃碳的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的研究一直是碳材料領(lǐng)域熱議的話題。玻璃碳可以分為兩類，I型和II型玻璃碳。I型玻璃碳是聚合有機(jī)物在溫度低于2000°C條件下燒結(jié)形成的，其內(nèi)部主要由取向無序的卷曲石墨烯碎片構(gòu)成；II型玻璃碳是在更高的溫度（~2500°C）下燒結(jié)而成的，其是由納米尺度自組裝的富勒烯狀類球體結(jié)構(gòu)堆垛形成的無序多層石墨烯三維矩陣。

　　最近的研究發(fā)現(xiàn)II型玻璃相較于I型有更高的壓縮系數(shù)，這與其內(nèi)部自組裝的富勒烯狀類球體結(jié)構(gòu)有重要關(guān)系。除去細(xì)微的幾何構(gòu)型的差別，I型和II型玻璃碳其實(shí)本質(zhì)上都是由無序的卷曲石墨烯構(gòu)成的矩陣。

　　玻璃碳的應(yīng)用

　　玻璃碳具有眾多優(yōu)異的性能，包括低密度、高硬度、高強(qiáng)度、高不滲透性（氣體和液體）、高熱穩(wěn)性和化學(xué)穩(wěn)定性等，這也使得玻璃碳在工業(yè)、化工、電子等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

　　01高溫應(yīng)用

　　玻璃碳在高達(dá)3000°C的惰性氣體或真空中具有較高的耐高溫性，而且與所有其他陶瓷和金屬高溫材料不同，玻璃碳的強(qiáng)度會隨著溫度的升高而增加，最高可達(dá)2700K，而且不會脆化，具有極高的抗熱震性，因此短時(shí)間的加熱和冷卻時(shí)間都是沒有問題的。此外，玻璃碳還具有低質(zhì)量，低吸熱和低熱膨脹，因此幾乎適用于所有高溫應(yīng)用，典型代表有高溫計(jì)保護(hù)管，裝料系統(tǒng)和高溫爐的零件等。

　　02化學(xué)應(yīng)用

　　由于玻璃碳具有很高的耐腐蝕性，因此非常適用于化學(xué)分析。與用鉑，金和其他耐腐蝕金屬，特殊陶瓷和氟塑料制成的常規(guī)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備相比，采用玻璃碳制造的設(shè)備具有以下優(yōu)點(diǎn)：耐所有濕分解劑、無記憶效應(yīng)（不受控制的元素吸附和解吸）、分析樣品無污染、耐酸和堿熔體、無孔玻璃狀表面。

　　03牙科技術(shù)

　　牙科技術(shù)中常使用玻璃碳熔化坩堝來熔化貴金屬和鈦合金，具有以下優(yōu)勢：高導(dǎo)熱率、使用壽命比石墨坩堝更長、貴金屬熔體無附著力、耐熱沖擊、適用于所有貴金屬和鈦合金、用于感應(yīng)加熱鑄造離心機(jī)、在金屬熔體上產(chǎn)生保護(hù)氣氛、無需熔鹽等。

　　使用玻璃碳熔化坩堝，可以縮短加熱和熔化時(shí)間，且熔化單元的電加熱線圈可以在比傳統(tǒng)陶瓷容器低的溫度下運(yùn)行，因此不僅減少了每次鑄造所需的時(shí)間，還延長了坩堝的壽命。另外，它的不潤濕性也消除了材料損失的問題。

　　半導(dǎo)體類

　　玻璃碳具有高純度、極高的耐腐蝕性，不產(chǎn)生顆粒、導(dǎo)電性和良好的機(jī)械性能，因此是半導(dǎo)體生產(chǎn)的理想材料，以它為原材料制成的坩堝和舟皿可用于通過Bridgman或Czochralsky方法對半導(dǎo)體組件進(jìn)行區(qū)域熔化，砷化鎵合成以及單晶生長。除此之外，玻璃碳還可作為于離子注入系統(tǒng)的零件和等離子蝕刻系統(tǒng)的電極，高X射線透射率的特性也使得玻碳晶片可被用作X射線掩模的基材。

　　資料來源：高壓下石墨與玻璃碳結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變研究，董家君。

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