知識課堂：玻璃碳的奇妙應用

　　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所具有的性質，如最硬-最軟、絕緣體-半導體-超導體、絕熱-超導熱、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）是結合了玻璃和陶瓷的屬性的非石墨化碳。與晶態的石墨相反，它是一種無定形的、近100%sp2雜化的碳材料，其是由聚合有機物前驅體，例如酚醛樹脂、糠醇樹脂等，在惰性氣體氛圍下高溫燒結而成的。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年科學家首次合成出玻璃碳以來，關于玻璃碳的結構與性質的研究一直是碳材料領域熱議的話題。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物在溫度低于2000°C條件下燒結形成的，其內部主要由取向無序的卷曲石墨烯碎片構成；II型玻璃碳是在更高的溫度（~2500°C）下燒結而成的，其是由納米尺度自組裝的富勒烯狀類球體結構堆垛形成的無序多層石墨烯三維矩陣。

　　最近的研究發現II型玻璃相較于I型有更高的壓縮系數，這與其內部自組裝的富勒烯狀類球體結構有重要關系。除去細微的幾何構型的差別，I型和II型玻璃碳其實本質上都是由無序的卷曲石墨烯構成的矩陣。

　　玻璃碳的應用

　　玻璃碳具有眾多優異的性能，包括低密度、高硬度、高強度、高不滲透性（氣體和液體）、高熱穩性和化學穩定性等，這也使得玻璃碳在工業、化工、電子等領域有著廣泛的應用。

　　01高溫應用

　　玻璃碳在高達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，玻璃碳的強度會隨著溫度的升高而增加，最高可達2700K，而且不會脆化，具有極高的抗熱震性，因此短時間的加熱和冷卻時間都是沒有問題的。此外，玻璃碳還具有低質量，低吸熱和低熱膨脹，因此幾乎適用于所有高溫應用，典型代表有高溫計保護管，裝料系統和高溫爐的零件等。

　　02化學應用

　　由于玻璃碳具有很高的耐腐蝕性，因此非常適用于化學分析。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實驗室設備相比，采用玻璃碳制造的設備具有以下優點：耐所有濕分解劑、無記憶效應（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

　　牙科技術中常使用玻璃碳熔化坩堝來熔化貴金屬和鈦合金，具有以下優勢：高導熱率、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、用于感應加熱鑄造離心機、在金屬熔體上產生保護氣氛、無需熔鹽等。

　　使用玻璃碳熔化坩堝，可以縮短加熱和熔化時間，且熔化單元的電加熱線圈可以在比傳統陶瓷容器低的溫度下運行，因此不僅減少了每次鑄造所需的時間，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。

　　半導體類

　　玻璃碳具有高純度、極高的耐腐蝕性，不產生顆粒、導電性和良好的機械性能，因此是半導體生產的理想材料，以它為原材料制成的坩堝和舟皿可用于通過Bridgman或Czochralsky方法對半導體組件進行區域熔化，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的零件和等離子蝕刻系統的電極，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構轉變研究，董家君。

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