O carbono é um dos elementos mais comuns na natureza, abrangendo as propriedades de quase todas as substâncias encontradas na Terra.Ele exibe uma ampla gama de características, como dureza e suavidade variadas, comportamento de isolamento-semicondutor-supercondutor, isolamento térmico-supercondutividade e transparência completa de absorção de luz.Entre estes, os materiais com hibridização sp2 são os principais membros da família dos materiais de carbono, incluindo grafite, nanotubos de carbono, grafeno, fulerenos e carbono vítreo amorfo.
Amostras de grafite e carbono vítreo
Embora os materiais anteriores sejam bem conhecidos, vamos nos concentrar hoje no carbono vítreo.O carbono vítreo, também conhecido como carbono vítreo ou carbono vítreo, combina as propriedades do vidro e da cerâmica em um material de carbono não grafítico.Ao contrário da grafite cristalina, é um material de carbono amorfo que é quase 100% hibridizado com sp2.O carbono vítreo é sintetizado pela sinterização em alta temperatura de compostos orgânicos precursores, como resinas fenólicas ou resinas de álcool furfurílico, sob uma atmosfera de gás inerte.Sua aparência preta e superfície lisa semelhante a vidro lhe valeram o nome de “carbono vítreo”.
Desde a sua primeira síntese por cientistas em 1962, a estrutura e as propriedades do carbono vítreo foram extensivamente estudadas e continuam a ser um tema quente no campo dos materiais de carbono.O carbono vítreo pode ser classificado em dois tipos: carbono vítreo Tipo I e Tipo II.O carbono vítreo tipo I é sinterizado a partir de precursores orgânicos a temperaturas abaixo de 2.000°C e consiste principalmente em fragmentos de grafeno enrolados orientados aleatoriamente.O carbono vítreo tipo II, por outro lado, é sinterizado em temperaturas mais altas (~2500°C) e forma uma matriz tridimensional amorfa de múltiplas camadas de estruturas esféricas semelhantes a fulereno automontadas (como mostrado na figura abaixo).
Representação da estrutura de carbono vítreo (esquerda) e imagem de microscopia eletrônica de alta resolução (direita)
Uma pesquisa recente descobriu que o carbono vítreo Tipo II exibe uma compressibilidade mais alta do que o Tipo I, o que é atribuído às suas estruturas esféricas semelhantes a fulereno automontadas.Apesar de pequenas diferenças geométricas, as matrizes de carbono vítreo Tipo I e Tipo II são essencialmente compostas de grafeno enrolado desordenado.
Aplicações de carbono vítreo
O carbono vítreo possui inúmeras propriedades excepcionais, incluindo baixa densidade, alta dureza, alta resistência, alta impermeabilidade a gases e líquidos, alta estabilidade térmica e química, o que o torna amplamente aplicável em indústrias como manufatura, química e eletrônica.
01 Aplicações de alta temperatura
O carbono vítreo apresenta resistência a altas temperaturas em ambientes de gás inerte ou vácuo, suportando temperaturas de até 3.000°C.Ao contrário de outros materiais cerâmicos e metálicos de alta temperatura, a resistência do carbono vítreo aumenta com a temperatura e pode atingir até 2700K sem se tornar quebradiço.Ele também possui baixa massa, baixa absorção de calor e baixa expansão térmica, tornando-o adequado para diversas aplicações de alta temperatura, incluindo tubos de proteção de termopares, sistemas de carregamento e componentes de fornos.
02 Aplicações Químicas
Devido à sua alta resistência à corrosão, o carbono vítreo é amplamente utilizado em análises químicas.Equipamentos feitos de carbono vítreo oferecem vantagens em relação aos aparelhos de laboratório convencionais feitos de platina, ouro, outros metais resistentes à corrosão, cerâmicas especiais ou fluoroplásticos.Essas vantagens incluem resistência a todos os agentes de decomposição úmidos, nenhum efeito de memória (adsorção e dessorção descontrolada de elementos), nenhuma contaminação das amostras analisadas, resistência a ácidos e derretimentos alcalinos e uma superfície vítrea não porosa.
03 Tecnologia Odontológica
Cadinhos de carbono vítreo são comumente usados em tecnologia odontológica para fundir metais preciosos e ligas de titânio.Eles oferecem vantagens como alta condutividade térmica, vida útil mais longa em comparação aos cadinhos de grafite, ausência de adesão de metais preciosos fundidos, resistência ao choque térmico, aplicabilidade a todos os metais preciosos e ligas de titânio, uso em centrífugas de fundição por indução, criação de atmosferas protetoras sobre metais fundidos, e eliminação da necessidade de fluxo.
A utilização de cadinhos de carbono vítreo reduz os tempos de aquecimento e fusão e permite que as serpentinas de aquecimento da unidade de fusão operem a temperaturas mais baixas do que os recipientes cerâmicos tradicionais, diminuindo assim o tempo necessário para cada fundição e prolongando a vida útil do cadinho.Além disso, a sua não molhabilidade elimina preocupações com perda de material.
04 Aplicações de Semicondutores
O carbono vítreo, com sua alta pureza, excepcional resistência à corrosão, ausência de geração de partículas, condutividade e boas propriedades mecânicas, é um material ideal para a produção de semicondutores.Cadinhos e barcos feitos de carbono vítreo podem ser usados para fusão por zona de componentes semicondutores usando os métodos Bridgman ou Czochralski, síntese de arsenieto de gálio e crescimento de cristal único.Além disso, o carbono vítreo pode servir como componentes em sistemas de implantação iônica e eletrodos em sistemas de gravação a plasma.Sua alta transparência aos raios X também torna os chips de carbono vítreos adequados para substratos de máscaras de raios X.
Concluindo, o carbono vítreo oferece propriedades excepcionais que incluem resistência a altas temperaturas, inércia química e excelente desempenho mecânico, tornando-o adequado para uma ampla gama de aplicações em diversos setores.
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Horário da postagem: 18 de dezembro de 2023