El carbono es uno de los elementos más comunes en la naturaleza y abarca las propiedades de casi todas las sustancias que se encuentran en la Tierra.Exhibe una amplia gama de características, como dureza y suavidad variables, comportamiento de aislamiento-semiconductor-superconductor, aislamiento térmico-superconductividad y absorción de luz-transparencia completa.Entre estos, los materiales con hibridación sp2 son los principales miembros de la familia de materiales de carbono, incluidos el grafito, los nanotubos de carbono, el grafeno, los fullerenos y el carbono vítreo amorfo.
Muestras de grafito y carbono vítreo
Si bien los materiales anteriores son bien conocidos, hoy nos centraremos en el carbono vítreo.El carbón vítreo, también conocido como carbón vítreo o carbón vítreo, combina las propiedades del vidrio y la cerámica en un material de carbono no grafito.A diferencia del grafito cristalino, es un material de carbono amorfo que tiene casi un 100% de hibridación sp2.El carbono vítreo se sintetiza mediante sinterización a alta temperatura de compuestos orgánicos precursores, como resinas fenólicas o resinas de alcohol furfurílico, bajo una atmósfera de gas inerte.Su apariencia negra y su superficie lisa similar al vidrio le valieron el nombre de “carbono vítreo”.
Desde su primera síntesis por parte de los científicos en 1962, la estructura y las propiedades del carbono vítreo se han estudiado ampliamente y siguen siendo un tema candente en el campo de los materiales de carbono.El carbón vítreo se puede clasificar en dos tipos: carbón vítreo tipo I y tipo II.El carbón vítreo de tipo I se sinteriza a partir de precursores orgánicos a temperaturas inferiores a 2000 °C y se compone principalmente de fragmentos de grafeno rizados orientados aleatoriamente.El carbono vítreo tipo II, por otro lado, se sinteriza a temperaturas más altas (~2500°C) y forma una matriz tridimensional amorfa multicapa de estructuras esféricas autoensambladas similares a fullereno (como se muestra en la figura siguiente).
Representación de la estructura del carbono vítreo (izquierda) e imagen de microscopía electrónica de alta resolución (derecha)
Investigaciones recientes han descubierto que el carbono vítreo de tipo II exhibe una mayor compresibilidad que el tipo I, lo que se atribuye a sus estructuras esféricas autoensambladas similares a las del fullereno.A pesar de ligeras diferencias geométricas, las matrices de carbono vítreo de Tipo I y Tipo II están compuestas esencialmente de grafeno rizado desordenado.
Aplicaciones del carbón vítreo
El carbón vítreo posee numerosas propiedades sobresalientes, que incluyen baja densidad, alta dureza, alta resistencia, alta impermeabilidad a gases y líquidos, alta estabilidad térmica y química, que lo hacen ampliamente aplicable en industrias como la manufacturera, la química y la electrónica.
01 Aplicaciones de alta temperatura
El carbón vítreo exhibe resistencia a altas temperaturas en ambientes de vacío o gas inerte, soportando temperaturas de hasta 3000°C.A diferencia de otros materiales cerámicos y metálicos de alta temperatura, la resistencia del carbono vítreo aumenta con la temperatura y puede alcanzar hasta 2700 K sin volverse quebradizo.También posee baja masa, baja absorción de calor y baja expansión térmica, lo que lo hace adecuado para diversas aplicaciones de alta temperatura, incluidos tubos de protección de termopares, sistemas de carga y componentes de hornos.
02 Aplicaciones químicas
Debido a su alta resistencia a la corrosión, el carbón vítreo encuentra un amplio uso en análisis químicos.Los equipos fabricados con carbón vítreo ofrecen ventajas sobre los aparatos de laboratorio convencionales fabricados con platino, oro, otros metales resistentes a la corrosión, cerámicas especiales o fluoroplásticos.Estas ventajas incluyen resistencia a todos los agentes de descomposición húmedos, ausencia de efecto memoria (adsorción y desorción incontrolada de elementos), ausencia de contaminación de las muestras analizadas, resistencia a ácidos y fundidos alcalinos y una superficie vítrea no porosa.
03 Tecnología Dental
Los crisoles de carbón vítreo se utilizan habitualmente en la odontología para fundir metales preciosos y aleaciones de titanio.Ofrecen ventajas como alta conductividad térmica, vida útil más larga en comparación con los crisoles de grafito, ausencia de adhesión de metales preciosos fundidos, resistencia al choque térmico, aplicabilidad a todos los metales preciosos y aleaciones de titanio, uso en centrífugas de fundición por inducción, creación de atmósferas protectoras sobre metales fundidos, y eliminación de la necesidad de fundente.
El uso de crisoles de carbón vítreo reduce los tiempos de calentamiento y fusión y permite que las bobinas de calentamiento de la unidad de fusión funcionen a temperaturas más bajas que los recipientes cerámicos tradicionales, disminuyendo así el tiempo requerido para cada fundición y extendiendo la vida útil del crisol.Además, su no humectabilidad elimina los problemas de pérdida de material.
04 Aplicaciones de semiconductores
El carbono vítreo, con su alta pureza, excepcional resistencia a la corrosión, ausencia de generación de partículas, conductividad y buenas propiedades mecánicas, es un material ideal para la producción de semiconductores.Los crisoles y botes hechos de carbón vítreo se pueden usar para la fusión zonal de componentes semiconductores utilizando los métodos de Bridgman o Czochralski, la síntesis de arseniuro de galio y el crecimiento de monocristales.Además, el carbón vítreo puede servir como componente en sistemas de implantación de iones y electrodos en sistemas de grabado por plasma.Su alta transparencia a los rayos X también hace que los chips de carbón vítreo sean adecuados para sustratos de máscaras de rayos X.
En conclusión, el carbón vítreo ofrece propiedades excepcionales que incluyen resistencia a altas temperaturas, inercia química y excelente rendimiento mecánico, lo que lo hace adecuado para una amplia gama de aplicaciones en diversas industrias.
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Hora de publicación: 18-dic-2023