炭素は自然界で最も一般的な元素の 1 つであり、地球上に存在するほぼすべての物質の特性を網羅しています。硬さや柔らかさの変化、絶縁性-半導体-超電導性、断熱性-超電導性、光吸収性-完全透明性など、幅広い特性を示します。このうち、sp2 ハイブリッド形成を有する材料は、グラファイト、カーボン ナノチューブ、グラフェン、フラーレン、アモルファス ガラス状炭素などの炭素材料ファミリーの主要なメンバーです。
グラファイトおよびガラス状カーボンのサンプル
以前の素材はよく知られていますが、今日はグラッシー カーボンに焦点を当てましょう。ガラス状カーボンは、ガラス状カーボンまたはガラス状カーボンとしても知られ、ガラスとセラミックの特性を組み合わせて非黒鉛状炭素材料を形成します。結晶性グラファイトとは異なり、ほぼ100％sp2ハイブリッド化された非晶質カーボン素材です。ガラス状炭素は、フェノール樹脂やフルフリルアルコール樹脂などの前駆体有機化合物を不活性ガス雰囲気下で高温焼結することによって合成されます。その黒い外観と滑らかなガラスのような表面から、「グラッシー カーボン」という名前が付けられました。
1962 年に科学者によって最初に合成されて以来、ガラス状炭素の構造と特性は広範囲に研究されており、炭素材料の分野では依然としてホットな話題となっています。ガラス状炭素は、タイプ I とタイプ II の 2 つのタイプに分類できます。タイプ I ガラス状炭素は、有機前駆体から 2000°C 未満の温度で焼結され、主にランダムに配向したカールしたグラフェンの破片から構成されます。一方、タイプ II ガラス状炭素は高温 (約 2500°C) で焼結され、自己組織化されたフラーレンのような球状構造の非晶質多層三次元マトリックスを形成します (下図を参照)。
ガラス状炭素構造の表現 (左) と高解像度電子顕微鏡画像 (右)
最近の研究では、タイプ II ガラス状炭素はタイプ I よりも高い圧縮性を示すことが判明しました。これは、自己組織化されたフラーレン様の球状構造に起因すると考えられます。わずかな幾何学的な違いにもかかわらず、タイプ I とタイプ II の両方のガラス状炭素マトリックスは本質的に不規則なカールしたグラフェンで構成されています。
グラッシーカーボンの用途
ガラス状炭素は、低密度、高硬度、高強度、気体や液体に対する高い不透過性、高い熱的および化学的安定性など、数多くの優れた特性を備えているため、製造、化学、エレクトロニクスなどの業界で広く応用できます。
01 高温用途
ガラス状カーボンは、不活性ガスまたは真空環境において高温耐性を示し、最高 3000°C の温度に耐えます。他のセラミックや金属の高温材料とは異なり、ガラス状カーボンの強度は温度とともに増加し、脆くなることなく最大 2700K に達することができます。また、低質量、低熱吸収、低熱膨張を備えているため、熱電対保護管、装填システム、炉部品などのさまざまな高温用途に適しています。
02 化学用途
ガラス状カーボンは耐食性が高いため、化学分析で広く使用されています。ガラス状カーボンで作られた装置は、白金、金、その他の耐食性金属、特殊セラミック、またはフッ素樹脂で作られた従来の実験用装置に比べて利点があります。これらの利点には、あらゆる湿式分解剤に対する耐性、メモリー効果（元素の制御されない吸着および脱着）がないこと、分析サンプルの汚染がないこと、酸およびアルカリ溶融物に対する耐性、および非多孔質のガラス質表面が含まれます。
03 歯科技術
ガラス状カーボンるつぼは、貴金属やチタン合金を溶解するための歯科技術で一般的に使用されます。これらは、高い熱伝導性、黒鉛るつぼと比較して長寿命、溶融貴金属の付着なし、熱衝撃耐性、すべての貴金属およびチタン合金への適用性、高周波鋳造遠心分離機での使用、溶融金属上の保護雰囲気の生成などの利点を提供します。フラックスが不要になります。
ガラス状カーボンるつぼを使用すると、加熱時間と溶解時間が短縮され、溶解ユニットの加熱コイルを従来のセラミック容器よりも低い温度で動作させることができるため、各鋳造に必要な時間が短縮され、るつぼの寿命が延びます。さらに、その非湿潤性により、材料損失の懸念が解消されます。
04 半導体応用
ガラス状カーボンは、高純度、優れた耐食性、粒子の発生がないこと、導電性、優れた機械的特性を備えており、半導体製造に理想的な材料です。ガラス状カーボン製のるつぼとボートは、ブリッジマン法またはチョクラルスキー法を使用した半導体コンポーネントのゾーンメルティング、ガリウムヒ素の合成、および単結晶成長に使用できます。さらに、ガラス状炭素は、イオン注入システムのコンポーネントやプラズマ エッチング システムの電極として機能します。また、X線透過性が高いため、グラッシーカーボンチップはX線マスク基板としても適しています。
結論として、ガラス状カーボンは、高温耐性、化学的不活性、優れた機械的性能などの優れた特性を備えており、さまざまな業界の幅広い用途に適しています。
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投稿日時: 2023 年 12 月 18 日