Glaskohlenstoff

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Eine große Probe Glaskohlenstoff mit einer Masse von ca. 570 g, zum Größenvergleich mit einem 1-cm³-Graphit­würfel

Glaskohlenstoff, auch glasartiger Kohlenstoff genannt, ist ein synthetischer Werkstoff aus reinem Kohlenstoff, der glasartige keramische Eigenschaften mit denen des Graphits vereint.

Modell der Mikrostruktur von Glaskohlenstoff.
TEM-Aufnahme von Glaskohlenstoff.

Glaskohlenstoff besitzt eine Hochtemperaturbeständigkeit unter Schutzgas oder im Vakuum bis über 3000 °C, extreme Korrosionsbeständigkeit, Flüssigkeits- und Gasdichtigkeit (He-Permeabilität 10−9 bis 10−11 cm²/s), keine Benetzung durch Schmelzen, hohe Härte (HV 250–350) und Festigkeit (Biegefestigkeit um 250 MPa, Steifigkeit um 35 GPa), geringe Dichte (1,4–1,5 g/cm³), hohe Oberflächengüte, geringe thermische Ausdehnung (um 2,5×10−6 1/K zwischen 20 und 2000 °C), extreme Thermoschockbeständigkeit, moderate thermische (4–6 W/(K·m) bei 20 °C) und elektrische Leitfähigkeit (2×104 1/(Ω·m)), Isotropie der physikalischen und chemischen Eigenschaften und gute Biokompatibilität.

Elektronisch zählt Glaskohlenstoff zu den Halbleitern mit kleiner Energiebandlücke. Glasartiger Kohlenstoff ist eine Kohlenstoffform mit einer stark fehlgeordneten Graphitstruktur, der durch Pyrolyse von Polymeren hergestellt wird. Mit der Struktur der Polymere ist dem Glaskohlenstoff die ihm typische eigene Mikrostruktur in die Wiege gelegt. Lediglich die Höhe der Pyrolysetemperatur bestimmt dann den Grad der graphitischen Anteile im Material. Die Kohlenstoffatome mit sp2-Bindung sind in Ebenen mit hexagonaler Symmetrie angeordnet. Die TEM-Aufnahme zeigt Kristallite aus Graphenschichten, die kleine Poren der Größe um 1 nm einschließen. Das Elektronenmikroskop bildet nur die Basalebenen ab, die in Richtung des Elektronenstrahls orientiert sind.[1][2]

Das Modell veranschaulicht die Mikrostruktur von Glaskohlenstoff. Die Stege bestehen aus Graphitkristalliten mit einer Schichtdicke von 4 bis 10 Basalebenen. Anders als bei Aktivkohle sind die Poren nicht untereinander verbunden. Die Streuung der Größe der geschlossenen Poren ist gering. Sie liegt, je nach Herstellung, um 1–5 nm. Makroskopisch erscheint Glaskohlenstoff isotrop. Das Modell erklärt die geringe Dichte gegenüber Graphit, die hohe Härte und Festigkeit und die Isotropie der Werkstoffparameter.[2]

Eine mechanische Bearbeitung ist aufgrund der hohen Härte nur mit Diamantwerkzeugen möglich. Alternative Bearbeitungsverfahren sind Funkenerosion (EDM), Wasserstrahlschneiden oder Laserschneiden.

Glaskohlenstoff wird aufgrund seiner guten elektrischen Leitfähigkeit und chemischen Stabilität als Elektrodenmaterial für die elektrochemische Anwendung eingesetzt. Mithilfe von Poliermitteln auf Basis von Diamant- oder Korundpartikeln lässt sich die Oberfläche leicht erneuern, was eine Wiederverwendbarkeit des Materials erlaubt.[3]

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Einzelnachweise

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  1. P. J. F. Harris †: Fullerene-related structure of commercial glassy carbons. In: Philosophical Magazine. Band 84, Nr. 29, 11. Oktober 2004, ISSN 1478-6435, S. 3159–3167, doi:10.1080/14786430410001720363.
  2. a b Kawamura, K. (Kiyoshi), 1942-: Polymeric carbons--carbon fibre, glass and char. Cambridge University Press, Cambridge 1976, ISBN 0-521-20693-6.
  3. Miloslav Kopanica, František Vydra: Voltammetry with disc electrodes and its analytical application. In: Journal of Electroanalytical Chemistry and Interfacial Electrochemistry. Band 31, Nr. 1, Juni 1971, S. 175–181, doi:10.1016/S0022-0728(71)80055-4.