Le carbone est l’un des éléments les plus courants dans la nature, englobant les propriétés de presque toutes les substances présentes sur Terre. Il présente un large éventail de caractéristiques, telles qu'une dureté et une douceur variables, un comportement isolation-semi-conducteur-supraconducteur, une isolation thermique-supraconductivité et une transparence complète d'absorption de la lumière. Parmi ceux-ci, les matériaux avec hybridation sp2 sont les principaux membres de la famille des matériaux carbonés, notamment le graphite, les nanotubes de carbone, le graphène, les fullerènes et le carbone vitreux amorphe.
Échantillons de graphite et de carbone vitreux
Si les matériaux précédents sont bien connus, concentrons-nous aujourd’hui sur le carbone vitreux. Le carbone vitreux, également connu sous le nom de carbone vitreux ou carbone vitreux, combine les propriétés du verre et de la céramique dans un matériau carboné non graphitique. Contrairement au graphite cristallin, il s’agit d’un matériau carboné amorphe qui est hybride sp2 à près de 100 %. Le carbone vitreux est synthétisé par frittage à haute température de composés organiques précurseurs, tels que des résines phénoliques ou des résines d'alcool furfurylique, sous une atmosphère de gaz inerte. Son aspect noir et sa surface lisse semblable à du verre lui ont valu le nom de « carbone vitreux ».
Depuis sa première synthèse par des scientifiques en 1962, la structure et les propriétés du carbone vitreux ont été largement étudiées et restent un sujet brûlant dans le domaine des matériaux carbonés. Le carbone vitreux peut être classé en deux types : le carbone vitreux de type I et de type II. Le carbone vitreux de type I est fritté à partir de précurseurs organiques à des températures inférieures à 2 000 °C et se compose principalement de fragments de graphène enroulés orientés de manière aléatoire. Le carbone vitreux de type II, quant à lui, est fritté à des températures plus élevées (~ 2 500 °C) et forme une matrice tridimensionnelle multicouche amorphe de structures sphériques de type fullerène auto-assemblées (comme le montre la figure ci-dessous).
Représentation de la structure du carbone vitreux (à gauche) et image de microscopie électronique haute résolution (à droite)
Des recherches récentes ont montré que le carbone vitreux de type II présente une compressibilité plus élevée que le type I, ce qui est attribué à ses structures sphériques auto-assemblées de type fullerène. Malgré de légères différences géométriques, les matrices de carbone vitreux de type I et de type II sont essentiellement composées de graphène frisé désordonné.
Applications du carbone vitreux
Le carbone vitreux possède de nombreuses propriétés exceptionnelles, notamment une faible densité, une dureté élevée, une résistance élevée, une imperméabilité élevée aux gaz et aux liquides, une stabilité thermique et chimique élevée, qui le rendent largement applicable dans des industries telles que la fabrication, la chimie et l'électronique.
01 Applications à haute température
Le carbone vitreux présente une résistance à haute température dans des environnements de gaz inerte ou sous vide, résistant à des températures allant jusqu'à 3 000 °C. Contrairement à d'autres matériaux céramiques et métalliques haute température, la résistance du carbone vitreux augmente avec la température et peut atteindre jusqu'à 2 700 K sans devenir cassant. Il possède également une faible masse, une faible absorption de chaleur et une faible dilatation thermique, ce qui le rend adapté à diverses applications à haute température, notamment les tubes de protection des thermocouples, les systèmes de chargement et les composants de fours.
02 Applications chimiques
En raison de sa haute résistance à la corrosion, le carbone vitreux est largement utilisé dans l’analyse chimique. Les équipements fabriqués à partir de carbone vitreux offrent des avantages par rapport aux appareils de laboratoire conventionnels fabriqués à partir de platine, d'or, d'autres métaux résistants à la corrosion, de céramiques spéciales ou de plastiques fluorés. Ces avantages incluent la résistance à tous les agents de décomposition humides, l'absence d'effet mémoire (adsorption et désorption incontrôlées des éléments), l'absence de contamination des échantillons analysés, la résistance aux acides et aux produits alcalins fondus et une surface vitreuse non poreuse.
03 Technologie dentaire
Les creusets en carbone vitreux sont couramment utilisés dans la technologie dentaire pour faire fondre les métaux précieux et les alliages de titane. Ils offrent des avantages tels qu'une conductivité thermique élevée, une durée de vie plus longue par rapport aux creusets en graphite, aucune adhérence des métaux précieux fondus, une résistance aux chocs thermiques, une applicabilité à tous les métaux précieux et alliages de titane, une utilisation dans des centrifugeuses de coulée par induction, la création d'atmosphères protectrices sur les métaux fondus, et l'élimination du besoin de flux.
L'utilisation de creusets en carbone vitreux réduit les temps de chauffage et de fusion et permet aux serpentins chauffants de l'unité de fusion de fonctionner à des températures plus basses que les récipients en céramique traditionnels, réduisant ainsi le temps requis pour chaque coulée et prolongeant la durée de vie du creuset. De plus, sa non-mouillabilité élimine les problèmes de perte de matière.
04 Applications des semi-conducteurs
Le carbone vitreux, avec sa grande pureté, sa résistance exceptionnelle à la corrosion, son absence de génération de particules, sa conductivité et ses bonnes propriétés mécaniques, est un matériau idéal pour la production de semi-conducteurs. Les creusets et les bateaux en carbone vitreux peuvent être utilisés pour la fusion de zone de composants semi-conducteurs à l'aide des méthodes Bridgman ou Czochralski, la synthèse d'arséniure de gallium et la croissance de monocristaux. De plus, le carbone vitreux peut servir de composants dans les systèmes d’implantation ionique et d’électrodes dans les systèmes de gravure au plasma. Sa haute transparence aux rayons X rend également les copeaux de carbone vitreux adaptés aux substrats des masques à rayons X.
En conclusion, le carbone vitreux offre des propriétés exceptionnelles, notamment une résistance aux températures élevées, une inertie chimique et d'excellentes performances mécaniques, ce qui le rend adapté à un large éventail d'applications dans diverses industries.
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Heure de publication : 18 décembre 2023