Alótropos
El carbono vítreo es una clase de carbono no grafítico, que es usado ampliamente como material para electrodos en electroquímica, así como en crisoles de alta temperatura, y como componente de algunos dispositivos protésicos. Fue producido por trabajadores en los laboratorios de The General Electric Company, UK, a inicios de la década de 1960, usandocelulosa como material inicial. Poco tiempo después, trabajadores japoneses produjeron un material similar a partir de resinas fenólicas. Fue producido por primera vez por Bernard Redferna mediados de 1950, en los laboratorios de The Carborundum Company, en UK. Consiguió desarrollar una matriz de polímero para imitar una estructura de diamante, y descubrió una resina fenólica que, con preparación especial, la produciría sin ayuda de un catalizador. Se depositaron algunas patentes, algunas de las cuales fueron retiradas ms tarde en interés de la seguridad nacional americana. Las muestras de investigación originales de la resina y el producto aún existen.
La preparación de carbono vítreo implica someter a los precursores orgánicos a una serie de tratamientos térmicos a temperaturas hasta de 3000 °C. A diferencia de muchos carbonos no grafitizantes, son impermeables a los gases, y son extremadamente inertes químicamente, especialmente aquellos preparados a muy altas temperaturas. Se ha demostrado que las velocidades de oxidación de ciertos carbonos vítreos en oxígeno, dióxido de carbono, o vapor de agua, son menores que las de cualquier otro carbono. También son altamente resistentes al ataque por ácidos. En consecuencia, mientras el grafito normal es reducido a un polvo por una mezcla de ácido sulfúrico y ácido nítrico a temperatura ambiente, el carbono vítreo no es afectado por tal tratamiento, incluso después de varios meses.
Glass-como el carbono, a menudo llamado carbón vítreo o carbono vítreo, es un carbono no grafitación que combina propiedades vidriosos y la cerámica con los de grafito. Las propiedades más importantes son la alta resistencia a la temperatura, la dureza, baja densidad, baja resistencia eléctrica, de baja fricción, baja resistencia térmica, resistencia extrema a los ataques químicos e impermeabilidad a gases y líquidos. Carbono vítreo se utiliza ampliamente como un material de electrodo en electroquímica, así como para crisoles de alta temperatura y como un componente de algunos dispositivos de prótesis, y se puede fabricar como diferentes formas, tamaños y secciones.
Los nombres de carbón vítreo y carbono vítreo se han introducido como marcas, por lo tanto, la IUPAC no recomienda su uso como términos técnicos.
Historia
Se observó por primera vez en los laboratorios de la empresa Carborundum, Manchester, Reino Unido, a mediados de la década de 1950 por Bernard Redfern, el inventor, científico de materiales y el técnico de diamantes. Se dio cuenta de que él utilizó cinta adhesiva para sujetar muestras de cerámica en un horno mantenido una especie de identidad estructural después de la cocción en atmósfera inerte. Buscó una matriz polimérica para reflejar una estructura de diamante y descubrió una resina resol que, con una preparación especial, creado sin un catalizador. El uso de este resina fenólica, se produjeron crisoles. Crisoles se distribuyeron a organizaciones como UKAEA Harwell.
Redfern izquierda La Carborundom Co., que escribió oficialmente todos los intereses de la invención de carbón vítreo. Mientras trabajaba en el laboratorio de la empresa Plessey en Towcester, Reino Unido, Redfern recibió un crisol de carbón vitrificado para la duplicación de UKAEA. Se identificó como uno que había hecho de las marcas que había grabado en el precursor sin curar antes de carbonización. La empresa Plessey estableció un laboratorio por primera vez en una fábrica usada previamente para hacer pipas de brezo, en Litchborough, Reino Unido, y luego una instalación permanente en Caswell, cerca Blakesly, Reino Unido. Caswell se convirtió en el Centro de Investigación Plessey y el Centro de Investigación Clark Allen. Carbón vidrioso llegó al Plessey Company Limited como un hecho consumado. Redfern fue asignado JC Lewis, como ayudante de laboratorio, para la producción de carbón vítreo. Football Club Cowlard fue asignado al departamento de Redfern más tarde, como administrador del laboratorio. Cowlard era un administrador que antes tenía alguna relación con silano. Ni él ni Lewis tenía ninguna conexión previa con carbón vítreo.
La contribución de Refern la invención y la producción de carbón vítreo/vítreo es reconocido por su co-autoría de los primeros artículos,. Sin embargo, las referencias a Redfern no eran evidentes en las publicaciones posteriores de Cowlard y Lewis. Existen crisoles barco originales y muestras precursoras.
Solicitud de patente de Reino Unido se presentaron en 11 Jan.1960 y la patente de EE.UU. presentó 09 de enero 1961. Esta técnica no se hace referencia en la patente de EE.UU. 4.668.496, 26 de mayo 1987 para el carbón vítreo. Las patentes fueron presentadas "Órganos y formas de los materiales y procesos carbonosas para su producción" y el nombre "de carbono vítreo", presentado en el producto por el hijo de Redfern.
Carbono vítreo/vítreo estaba bajo investigación utilizado para los componentes de sistemas de detonación termonucleares y al menos algunas de las patentes que rodean el material se rescindido en la década de 1960.
Grandes secciones del material precursor se produjeron como piezas de fundición, piezas moldeadas o mecanizadas en una forma predeterminada. Grandes crisoles y otras formas de fabricación. La carbonización se realizó en dos etapas. La contracción durante este proceso es considerable, pero es absolutamente uniforme y predecible. Una tuerca y el perno se pueden hacer para adaptarse a medida que el polímero, procesados por separado y posteriormente dan un ajuste perfecto.
Algunas de las primeras muestras ultrapuros de arseniuro de galio zona se refinaron en estos crisoles. .
Doped/impura de carbón vítreo exhibió fenómenos de semiconductores.
Inclusiones de carburo de uranio fueron fabricados.
El 11 de octubre de 2011, la investigación realizada en el Laboratorio Geofísico de Carnegie dirigido por Stanfords Wendy L. Mao y su estudiante graduado Yu Lin describe una nueva forma de carbono vítreo formado a alta presión con una dureza equivalente a la del diamante. A diferencia del diamante, sin embargo, su estructura es la de carbono amorfo por lo que su dureza puede ser isotrópico. La investigación está en curso.
Estructura
La estructura de carbono vítreo ha sido durante mucho tiempo un tema de debate. Los primeros modelos estructurales supone que ambos átomos unidos sp2 sp3-y estaban presentes, pero ahora se sabe que el carbono vítreo es 100% sp2. Sin embargo, investigaciones más recientes han sugerido que el carbón vítreo tiene una estructura relacionada con fullereno.
Tenga en cuenta que el carbono vítreo no se debe confundir con carbono amorfo. Esto de IUPAC: "de carbono de vidrio como no puede ser descrito como carbono amorfo, ya que se compone de elementos estructurales bidimensionales y no presenta enlaces colgantes".
Se exhibe una fractura concoidea.
Propiedad electroquímica
Electrodo de carbono vidrioso en soluciones acuosas se considera que es un electrodo inerte para la reducción de iones hidronio:
H3O e-H Eo = -2,10 V frente a NHE a 25 C
Reacción comparable en platino:
H3O Pt e-Pt: H Eo = 0.000 V frente a NHE a 25 C
La diferencia de 2,1 V se atribuye a las propiedades de platino que estabiliza un enlace covalente Pt-H.
Ventajas
Debido a su superficie específica orientación de carbono vítreo se emplea como un material de electrodo para la fabricación de pasta de carbono sensors.Glassy, carbono vítreo, carbono electrodos etc pasta cuando modificado se denominan como electrodos modificados químicamente. Electrodos químicamente modificados se han empleado para el análisis de moléculas orgánicas, así como iones metálicos.
¿Qué es el carbón vidriado (algunas veces llamado "vítreo")?
El carbón viene en muchas formas y no hay otro elemento que pueda tomar tantas apariencias y propiedades y morfologías diferentes. Todos estamos familiarizados con muchos polímeros sintéticos, por ejemplo "nylon", que se puede encontrar como hilo en un suéter, como hilo en la cuerda de una llanta, como una parte moldeada o incluso como película extruída. Estamos familiarizados con el carbón como diamante y el carbón como grafito, de nuevo, dos formas con propiedades radicalmente diferentes.El carbón puede también ser preparado en estado vidrioso, llamado algunas veces el estado vítreo. Los productos de carbón vidriado ofrecidos por SPI Supplies, contienen carbón que en esta forma es completamente amorfo y no muestra señales de cristalinidad alguna; mediante difracción de rayos x, solamente se ve un "halo amorfo". Cuando se fractura el carbón vidriado de SPI Supplies, muestra la cara de fractura que es característica del material vidriado. Se cuestiona si el carbón vidriado tiene una gama de propiedades y aplicaciones que lo hagan un material verdaderamente nuevo y atractivo para las aplicaciones de investigación y producción.
Desde nuestra perspectiva, el carbón vidrioso ofrecido por SPI Supplies, presenta propiedades que son casi tan dramáticamente diferentes como las propiedades del grafito y el diamante. En verdad el carbón vidrioso ofrecido por SPI Supplies es un tipo único de material con propiedades muy inusuales.
Cómo difiere del grafito la marca SPI Supplies® del carbón vidrioso:
Desde un punto de vista analítico, el grafito proporciona picos fuertes de difracción de rayos x, indicando un alto grado de "orden" y un alto nivel de cristalinidad determinada por difracción de rayos x. Pero la marca SPI Supplies de carbón vidrioso no presenta picos de difracción y solamente presenta un halo amorfo.La mayoría de los grafitos (excluyendo HOPG y grafito pirolítico) presentan una porosidad considerable en tanto que la marca SPI Supplies de carbón vidrioso es bastante densa, ciertamente mucho más que el grafito. Esto podría parecer una contradicción, pero cuando se observa la densidad del carbón vidrios en comparación con la densidad teórica del cristal de grafito, su densidad es menor, específicamente ~ 1.5 vs. 2.25. pero dado que el grafito tiene normalmente una porosidad considerable, la densidad ~ 1.5 es mayor que la del grafito típico (excluyendo HOPG y grafito pirolítico). Como consecuencia de esta alta densidad y la falta de porosidad que infesta el grafito ordinario, el carbón vidrioso de SPI Supplies puede ser pulido hasta un acabado espejo. En realidad toma la apariencia de "vidrio negro".
Otra propiedad importante de la marca SPI Supplies de carbón vidrioso es la buena conductividad térmica, que le imparte un elevado nivel de resistencia al choque térmico (haciendo posible su aplicación para crisoles).
Resistencia química:
Teóricamente, el carbón vidrioso debería comportarse como cualquier otra forma de carbón, tal como el grafito, pero de hecho es mucho menos reactivo debido a la mayor densidad relativa al grafito, normalmente más poroso. Su resistencia es más parecida a HOPG y al grafito pirolítico de alta densidad. Al mismo tiempo que hay varias razones para ello, la principal razón para la impresionante resistencia química, es una consecuencia de la estructura desordenada y por lo tanto la incapacidad para formar compuestos de intercalado. Esto conduce a la elevada resistencia a la corrosión por agentes y pastas alcalinos. SPI Supplies ofrece cuatro grados diferentes de carbón vidrioso, siendo su densidad la mayor diferencia entre ellos. A mayor "tasa" de temperatura, mayor densidad, y dado que requiere de un tratamiento más largo a altas temperaturas durante la producción, los costos de energía son considerablemente más elevados y esa es una de las razones de los precios marcadamente mayores para el material de más alta densidad. Y debido a la alta pureza, el carbón vidrioso es atractivo par aplicaciones en análisis químico y tecnología de materiales semiconductores y ultra puros. El carbón vidrioso no presenta efectos de memoria y por tanto es aplicable para análisis de ultra rastro.Propiedades térmicas:
Dependiendo del grado, el material puede elevarse hasta 2500°C sin ningún desvitrificado significativo. Sin embargo, arriba de esa temperatura, se presentará alguna desvitrificación, y habrá una formación de núcleos y crecimiento de una fase de grafito. Recuerde que a mayor densidad, esta transición ocurrirá a una temperatura mayor.Advierta: que los productos de carbón vidriado de SPI Glas, pueden ser calentados al aire, dependiendo del grado seleccionado, hasta 600°C sin sufrir reacción alguna, pero arriba de esta temperatura, cualquier calentamiento debe hacerse ya sea estrictamente al vacío o en un ambiente inerte, como argón. Si no se usa el vacío para temperaturas más elevadas, habrá una reacción y la formación de CO y CO2. Se presentará un tipo de reacción similar arriba de 600°C con agua o vapor de agua, ocasionando la evolución de CO y H2.
Estado de superficie:
En general, el producto estándar presenta una superficie "tal como se produce" y no ha sido, hasta ese momento sujeto a ningún pulido de tipo metalúrgico. A solicitud, por un costo adicional, podemos ofrecer superficies altamente pulidas. Creemos que, en general, nuestros clientes pueden hacer esta operación final de acabado con una mucho mayor efectividad en costo que nosotros, dado que pueden saber justo qué tanto tiene que realizarse el pulido para su propia aplicación particular.Manufactura a la medida:
SPI Supplies puede aprovechar sus capacidades para producir formas a la medida para los clientes. Recuerde que el carbón vidriado es "crecido en sustrato", esto es, crece desde una superficie y hay límites en cuanto al grueso que puede hacerse una pieza y retener aún la alta calidad del producto de SPI Supplies. Actualmente el máximo espesor es ~ 2.8 mm, y conforme se nos pide llegar cada vez más cerca a ese límite superior, el costo tiende a aumentar significativamente, debido a una disminución del rendimiento. Los mejores rendimientos son posibles a 2 mm ó menos. Sólo recuerde que la producción de carbón vidrioso es un proceso extremadamente caro y de larga realización efectuada en un periodo de 3-4 meses. Para artículos de producción especial, se tiene que estar preparado par tener mucha paciencia......Aplicaciones para el carbón vidrioso:
- Microscopía y microanálisis
- Metalúrgica
- Investigación de laboratorio
- Evaporación al vacío
- Semiconductores y electrónica
- Nuclear
- Aeroespacial
Grados disponibles:
SPI Supplies ofrece su carbón vidrioso en cuatro grados diferentes, cada uno con su propio conjunto de propiedades y que se basan en la temperatura final del tratamiento térmico del carbón vidrioso:| Grado: | Temperatura del tratamiento térmico | |
| SPI-Glas™ 10 | 1000° C | |
| SPI-Glas™ 11 | 1100° C | |
| SPI-Glas™ 22 | 1100° C | |
| SPI-Glas™ 25 | 2500° C | |
SPI-Glas 10 y SPI-Glas 11 Plus son muy similares, sin embargo, hacemos la diferenciación porque se producen usando procedimientos de algún modo diferentes. Si quiere tener la mayor certeza de que está haciendo todo lo posible para reproducir un resultado experimental, sugerimos usar el mismo grado que el usado para los primeros experimentos. De manera similar, no obstante la sugerencia de las diferentes temperaturas de procedimiento, encontramos que SPI-Glass 22 y SPI-Glas 25 son muy similares, pero cuando se comparan las propiedades de los dos grupos sí hay diferencias significativas en sus propiedades. Pero la diferencia fundamental en sus propiedades es la reactividad contra los agentes oxidantes tales como el ácido nítrico, ácido perclórico y oxígeno. Por ejemplo, la tasa de oxidación de SPI-Glas™ 22 vs. SPI-Glas™ 11 es que es 24 times más lenta y ésta, es una diferencia significativa.
| SPI-Glas™ 10 | SPI-Glas™ 11 | SPI-Glas™ 22 | SPI-Glas™ 25 | |
| Densidad en volumen, (g/cm3) | 1.54 | 1.54 | 1.42 | 1.42 |
| Valores de ceniza (según DIN 51903), (ppm) | < 100 | < 100 | < 100 | < 100 |
| Temperatura máxima de servicio, (°C) | 1100 | 1000 | 3000 | 3000 |
| Porosidad abierta, (%) | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Coeficiente de permeabilidad, (cm2/s) | 10-11 | 10-11 | 10-9 | 10-9 |
| Dureza Vickers, (HV1) | 340 | 340 | 230 | 230 |
| Resistencia de flexión1, (N/mm2) | 210 | 210 | 260 | 260 |
| Resistencia de compresión2, (kN/mm2) | 580 | 580 | 480 | 480 |
| Módulo de Young1, (kN/mm2) | 35 | 35 | 35 | 35 |
| Coeficiente de expansión térmica (20 - 2000°C, (1/K) | 3.5 x 10-6 | 2.5 x 10-6 | 2.6 x 10-6 | 2.6 x 10-6 |
| Conductividad térmica (30°C), (W/(K.m) | 4.6 | 4.6 | 6.3 | 6.3 |
| Resistencia eléctrica específica | 50 ohmios µm | 45 ohmios µm |
1 Prueba de flexión en 4-puntos; geometría de la muestra; varilla circular, 3 mm de diámetro, longitud 60 mm
2 Geometría de la muestra: varilla circular, diámetro 7 mm, longitud 10 mm
SPI Supplies está ofreciendo una línea creciente de productos estándar; están disponibles ya sea "en existencia para entrega inmediata" de inventarios o están disponibles en pocas semanas después de que aceptemos una orden firme. Para todas las órdenes a la medida, nuestras condiciones son siempre pago total por adelantado al momento de la colocación de la orden. ¡Sin excepciones! Las formas estándar, por supuesto, están sujetas solamente a los términos normales.
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