玻璃碳,又名玻璃质碳或玻璃型碳,是一种非石墨化的碳材料,结合了玻璃、陶瓷与石墨的特性。这种材料因其特殊的性质而广泛应用于电化学领域,如电极材料、高温坩埚及某些假体的组成部分。其主要特点包括高热稳定性、高热导率、硬度、低密度、低电阻、低摩擦、极高的化学抗性以及气体与液体的不可渗透性。
玻璃碳在电化学的应用中,是许多先进技术的重要材料,并在高温及极端环境下表现出色。
玻璃碳的发现可追溯至1950年代中期,当时英国卡博伦达公司的一位材料科学家伯纳德·瑞德芬首次观察到其特性。在一次实验中,他发现用来固定陶瓷样品的胶带在惰性气氛中烧结后,变成了保留原形的特殊结构。这一发现促使他寻找可以模仿钻石结构的聚合物基体,最终找到了能在无催化剂的情况下固化的酚醛树脂。
玻璃碳的结构一直是科学界争论的焦点。早期的结构模型认为其包含sp2和sp3键结原子,但后来研究证实玻璃碳完全是sp2键结的。最新的研究表明,玻璃碳具有类富勒烯的结构,并展现出贝壳状断裂。
根据IUPAC的定义,玻璃质碳不能被描述为无定形碳,因为其由二维结构元素组成,并不会显示出“悬链”键。
在水溶液中,玻璃碳电极被认为是氢氧离子还原的惰性电极。其独特的电化学性质使得玻璃碳在许多高端应用中扮演着关键角色,尤其是在制作各种传感器的电极时。
除了一般的玻璃碳外,还存在一种称为网状玻璃碳(RVC)的泡沫形式。这种泡沫在1960年代中期开发,具备优越的热绝缘性及微孔结构,通常用作电化学中的三维电极。 RVC泡沫具有高孔隙率、高表面积及优异的热稳定性,让其在生物应用中也成为有效的材料。
由于其特定的表面取向,玻璃碳被广泛应用于传感器的电极制造。经过修改的玻璃碳电极又被称为化学修饰电极,这使其在电化学应用中具有更大的灵活性和适应性。此外,玻璃碳及碳/碳纤维复合材料因其生物相容性、稳定性及简单的制造工艺而被用于牙科植体和心脏瓣膜。
玻璃碳的无与伦比的性能使其成为各个领域中研究的重要材料,无论是科学实验还是工业应用,它的潜力仍然在不断被挖掘。
在探索玻璃碳的多重用途及其优异性能的过程中,我们不禁要思考,未来这种材料将如何在新的科技创新中发挥更大的作用与影响呢?