کربن شیشه‌ای شکل خاصی از کربن است که غیرقابل گرافیت‌پذیری است، به این معنی که حتی در دمای شدید نیز نمی‌توان آن را به گرافیت کریستالی تبدیل کرد. همانطور که از نامش پیداست، کربن شیشه ای ترکیبی از ویژگی های سرامیکی و شیشه ای را به همراه دارد. ساختار شیمیایی آن به طور کامل از اتم‌های کربن با پیوند sp2 تشکیل شده است و برخی کارشناسان معتقدند که ساختار آن با فولرن مرتبط است.
خواص کربن شیشه ای
مقاومت بالا در برابر حرارت
با توجه به اینکه این ماده از ورودی با دمای بالا تولید می شود، نتیجه می شود که کربن شیشه ای در برابر حرارت بسیار مقاوم است. استحکام آن با قرار گرفتن در معرض حرارت تا 2400 درجه سانتی گراد بیشتر می شود و پس از این نوع قرار گرفتن در معرض گرما شکننده نمی شود.
نفوذ ناپذیری شدید
با تخلخل باز صفر و ضریب نفوذپذیری 1E-9 سانتی‌متر مربع بر ثانیه، مانند مواد شیشه‌ای سیلیکا نفوذناپذیر است و نفوذپذیری کمی در برابر گازها دارد.
سطح شیشه ای
به دلیل ساختار اتمی محکم خود، این ماده دارای یک سطح منحصر به فرد براق است که در سیستم های ممنوعه نفوذ و الکترودهای حسی به خوبی کار می کند. به دلیل نمای بیرونی شیشه ای، تمیز کردن و جلا دادن این مواد آسان است و در نتیجه طول عمر آن طولانی تر می شود.
استحکام استثنایی و سختی مواد
با مقاومت فشاری 480 مگاپاسکال و سختی 230 ویکرز، این ماده به سرامیک های با کارایی بالا تشبیه شده است.
مقاومت بالا در برابر خوردگی
محکم بودن پیوندهای اتمی در کربن شیشه ای از ورود یا وارد شدن ترکیبات خارجی (حتی سیالات) جلوگیری می کند. این به ماده خاصیت طبیعی و خود محافظتی در برابر خوردگی، اعم از قلیایی یا اسیدی می دهد.
این ماده همچنین دارای بالاترین مقاومت اکسیداسیون در بین تمام اشکال کربن است، حتی زمانی که در معرض اسید نیتریک غلیظ یا اکسیژن خالص قرار گیرد.
درجه خلوص بالا
برخلاف فلزات آلیاژی، این ماده از کربن خالص ساخته شده است.
چگالی کم
چگالی خام آن نسبتاً کم و در حدود 1.5 گرم بر سانتی متر مکعب است. این ممکن است به حفره های بینابینی موجود در ساختار شیمیایی آن نسبت داده شود.
سایر خواص
مقاومت الکتریکی: 4.5E-5 Ω·m در 30 درجه سانتی گراد
هدایت حرارتی: 6.3 W/(m·K) در 30 درجه سانتی گراد
مدول الاستیک: 35 گیگا پاسکال در 20 درجه سانتی گراد
ضریب انبساط حرارتی: 2.6E-6 1/K در 20 درجه سانتی گراد
تولید و فرآوری
کربن شیشه ای یا شیشه ای ممکن است از تجزیه در اثر حرارت فورفوریل الکل، رزین های فنولیک و پلیمرهای مشابه در دمایی که می تواند تا 3000 درجه سانتی گراد برسد، تولید شود.
در دمای 300 درجه سانتیگراد، این مواد پیش ساز شروع به از دست دادن هیدروژن و سایر اجزای غیر کربنی می کنند تا شکل خالص تری از کربن به جا بگذارند. تا دمای 1000 درجه سانتی گراد، تقریباً تمام اجزای غیر کربنی از بین رفته اند. این باعث می شود که پلیمرهای کربنی خالص که بلوک های سازنده کربن شیشه ای را تشکیل می دهند.
این ماده ممکن است بیشتر به شکل فعال خود پردازش شود. دومی دارای ساختار اتمی حاوی حفره هایی است که بیشتر از شکل طبیعی کربن شیشه ای متقاطع هستند.
پیشرفت‌های اخیر در پردازش منجر به کشف کربن شیشه‌ای با استحکام بیشتر، اما درجه خاصی از کشسانی شده است. این با اضافه کردن فشار شدید – تقریباً 250000 برابر فشار استاندارد – و دمای کمی نزدیک به 1000 درجه سانتیگراد به دست آمد.
کاربردهای کربن شیشه ای
خواص منحصر به فرد کربن شیشه ای آن را به ماده ای مناسب برای کاربردهای مختلف تبدیل می کند. محبوب ترین کاربرد آن در الکتروشیمی به شکل الکترودهای کربن شیشه ای (GCEs) است که ممکن است برای حسگرها استفاده شود. GCE ها در تجزیه و تحلیل پتانسیومتری مانند تیتراسیون اسید-باز و همچنین در زمینه زیست پزشکی استفاده می شوند.
در مقایسه با طلا، کربن شیشه ای در هنگام غوطه ور شدن در آب پنجره وسیع تری از فعالیت الکتروشیمیایی دارد. به همین دلیل، الکترود ساخته شده از کربن شیشه ای نسبت به الکترود طلا حساسیت کمتری به تداخل دارد.
کربن شیشه ای به دلیل تخلخل باز صفر، درجه نفوذ ناپذیری بالا و سطح آینه مانند، برای سیستم های خلاء و محیط هایی که نفوذپذیری سیال در آنها ممنوع است، عالی است.
در همین حال، مقاومت حرارتی شدید آن در مدیریت دما، مانند بوته‌ها و کوره‌ها، مفید است.
سایر زمینه های کاربردی ایده آل شامل متالورژی، نیمه هادی ها و الکترونیک، میکروآنالیز، هوافضا، علوم هسته ای، تحقیقات مبتنی بر آزمایشگاه و تجزیه و تحلیل فوق ردیابی است.