Свежие комментарии

Стеклоуглерод

Углерод служит основой множества материалов с самыи разнообразными свойствами, от алмаза и графита до фуллерена и графена. Вряд ли попаданец сможет получить хоть какую-то пользу от графена, даже если научится его делать, но есть весьма интересный углеродный материал, применение которому может найтись и в древности.
Это стеклоуглерод.

Как это часто бывает, стеклоуглерод был открыт случайно. Бернард Редферн, занимающейся разработкой керамики для ракетных сопел в The Carborund Company в Манчестере, заметил, что липкая лента, которой крепили образцы в печи для обжига, после воздействия высокой температуры не просто обуглилась, а превратилась в необычный блестящий материал.
Вскоре было найдено, что лучший исходный материал для стеклоуглерода это фенольные смолы, и было начато производство различных изделий, в первую очередь химических тиглей.
Для изготовления предметов из стеклоуглерода сначала нужно сделать прототип из резольной фенол-формальдегидной или фурановой смолы, причем в увеличенном масштабе, и затем медленно нагревать до высокой температуры в отсутствие кислорода (в вакууме, азоте или аргоне). При этом сначала происходит пиролиз, а затем структурная перестройка образующегося кокса.
Пиролиз сопровождается уменьщением размеров почти в 2 раза, при этом очень равномерным — если сделать из смолы болт и гайку, подходящие друг к другу и раздельно карбонизовать при одной и той же температуре одинаковое время, то полученные детали из стеклоуглерода тоже будут подходить друг к другу.
Конечные свойства стеклоуглерода зависят от температуры пиролиза, которая может быть от 900 (при этом достигаются максимальные механические свойства) до более чем 2000 градусов.
Стеклоуглерод очень стоек к нагреванию (на воздухе выдерживает 500 градусов, а в инертной среде — до 3000, причем, в отличие от всех остальных форм углерода, не превращается при этом в графит), прочный и твердый (7 по шкале Мооса), не пропускает газы, химически инертный и хорошо проводит ток и тепло. Поэтому стеклоугрерод во многих случаях с успехом заменяет платину, как материал для особо устойчивых сосудов и электродов. Кроме того, этот материал обладает биосовместимостью, из него даже делают искуственные сердечные клапаны. И наконец, изделия из стеклоуглерода выглядят весьма необычно и достаточно привлекательно

Большая ложка дегтя состоит в том, что производство стеклоуглерода весьма время- и энергозатратно. Из-за низкой газопроницаемости заготовки приходится выдерживать при высокой температуре очень долго, например, для тиглей с толщиной стенки 3 мм может потребоваться неделя или даже больше. Но, тем не менее, принципиальных сложностей для получения стеклоуглерода нет, и попаданец вполне может найти ему применение

9 комментариев Стеклоуглерод

  • molibden

    Из описания кажется что материал нишевой, Алсо ИМХО чувствительный к отклонению от техпроцесса. Выдержат равномерно температуру в камере в течение недели будет очень сложно без электрических нагревательных элементов. Газы возможно придется удалять. Плюс отрабатывать технологию. До 20того века эти тигели будут даже не золотыми, платиновыми. Так стоп… Ах да платина еще и не реагирует в ЛЮБОЙ среде, а тут на воздухе или окислительной среде это будет работать хуже керамики.

    • 4eshirkot

      //платина еще и не реагирует в ЛЮБОЙ среде//
      Слухи об инертности платины сильно преувеличены. Платина как раз боится восстановительных условий, например, платиновые тигли нельзя греть в коптящем пламени — углерод мгновенно впитывается. Платина не выдерживает серу и сульфиды, фосфор и т.д., и практически все металлы, так как дает с ними сплавы. Корродирует в горячей фосфорной кислоте. Платина плавится около 1800, но выше 1200 уже слишком сильно размягчается, те же тигли нельзя греть.
      Как раз первое практическое применение стеклоуглерода — выращивание кристаллов полупроводников типа арсенида галлия. Платина для этого не подошла.
      Так что применение хоть и нишевое, но точно будет. Особенно если платины в принципе нет.

      //Выдержат равномерно температуру в камере в течение недели будет очень сложно без электрических нагревательных элементов//
      Особой точности в большинстве случаев и не нужно. 900 или 1100 — разница в свойствах небольшая, только усадка разная.
      Можно сравнить с получением цементированной стали — там тоже приходилось греть около недели, причем выдерживание температуры более критично, если перегреть, получится чугун.

      • 4eshirkot

        Самая большая сложность — это обеспечение низкой скорости нагрева, для толстостенных изделий нужно около 5-10 градусов в час.
        Если скорость нагрева выше, то конечный продукт будет пористым. Его можно еще раз пропитать смолой и пиролизовать.
        Иногда пористость наоборот нужна — например, для электродов.

  • dan14444

    Надо будет попробовать фотополимерную детальку застекловать… если найду, в чём газоизолировать для муфеля. Вакуумная печка 900 не потянет.
    Стальная хреновина с микродыркой для сброса газов? Перед нагревом продутая азотом?…

    А как у стеклоуглерода с фотопроводимостью? Не замечен в таком? Да и вообще с проводимостью, совсем изолятор?

    • 4eshirkot

      Насчет фотополимера — вряд ли получится. Нужны полимеры с высоким коксовым остатком, типа фенольных или фурановых. Еще годится регенерированная целлюлоза типа вискозы или фибры. Но целлюлоза дает еще больше усадку.
      Изоляция от воздуха — в закрытом тигле с сажей. Но греть надо медленно, большинство обычных муфелей такие скорости нагрева не поддерживают.

      По поводу проводимости — стеклоуглерод имеет проводимость на уровне графита. Чем выше температура пиролиза, тем меньше сопротивление. Из него делают электроды для вольтамперометрии и т.д.

  • vashu1

    У меня в 50 мб заметок ничего про стеклоуглерод не нашлось. 4eshirkot велик!

  • 4eshirkot

    Хотя стеклоуглерод как самостоятельный материал открыт в 1950-х, угольные нити накаливания в лампочках начала XX в. по сути тоже имели основу из стеклоуглерода, получаемого пиролизом пергаментированной целлюлозы
    //В настоящее время в качестве исходного материала применяется почти исключительно чистая хлопчатобумажная нить (процесс Свана). Она моется в растворе соды или аммиака для удаления жира, затем тщательно промывается и высушивается. Сухая, намотанная на катушки нить медленно пропускается затем через ванну с крепкой серной кислотой (плотность 1,64, темп. 15—16°); время пребывания нити в кислоте, смотря по толщине нити, от 5 до 15 сек. Выходя из ванны, пергаментированная бумага, представляющаяся в виде полупрозрачной студенистой нити, тщательно промывается в воде и наматывается на барабаны, на которых и высушивается. Пергаментирование нити не меняет ее химического состава (С6Н10О5), но существенно изменяет ее физические свойства, делая ее твердой и упругой; получаемое пергаментированием хлопка вещество называют амилоидом. Высушенная амилоидная нить пропускается через отверстия волочильной доски, высверленные в пластинках алмаза или тому под. твердого камня; острия края отверстий срезают все неровности нити и придают ей правильное круговое сечение и блестящую плотную поверхность. В процессе Винна и Поуэлля хлопчатая бумага растворяется в растворе хлористого цинка, и полученная вязкая жидкость прожимается сквозь небольшое круглое отверстие в сосуде со спиртом, в котором тотчас отвердевает в виде тонкой крепкой нити с гладкой блестящей поверхностью, не требующей уже дальнейшей обработки. В процессе Вестона из листов прозрачной целлюлозы, полученной из целлулоида, штампуются необходимой толщины и ширины нити. Полученная тем или другим способом нить наматывается на угольные формы и подвергается обугливанию без доступа воздуха в графитовых тиглях, засыпанных угольной пылью или графитом. Температуру печи в течение 10—15 часов медленно поднимают до белого каления и затем в течение 10—12 часов дают ей охлаждаться, после чего вынимают тигли с нитями. Чем выше температура, до которой доведена была печь, тем однороднее и крепче получающиеся угольные нити.//
    //Угольные нити подвергают затем одному из самых важных процессов — утолщению (flashing). Для этой цели нить погружают в разреженные (до 1 см ртутного столба) пары какого-либо углеводорода, напр. эфира, бензина, пентана, и нагревают до каления током. В соприкосновении с раскаленным угольком пары разлагаются, и уголь из них оседает твердым и плотным слоем на накаливаемый уголь. Свойство угля, осевшего таким путем, сильно отличается от свойств обугленного амилоида; он значительно тверже, схож по физическим свойствам с графитом; удельное сопротивление его (350 микроом — см.) в 10 раз меньше угля, составляющего нить. Посредством процесса утолщения в прежние времена уравнивали неодинаковую по всей длине толщину нитей: более тонкие части нити, представляя большее сопротивление, сильнее накаливались, и на них отлагалось большее количество угля; мало-помалу толщина угля делалась по всей длине близка одинаковой. Тот же процесс служил и для уравнивания сопротивления отдельных нитей, т. е. процесс продолжался до тех пор, пока осевший слой угля не уменьшал сопротивления нити до желаемой величины. В современном производстве ламп накаливания угольные нити получаются непосредственно уже везде одинаковой толщины, так что процесс утолщения служит, главным образом, для изменения поверхности угольной нити и придания ей большей твердости, большей излучающей способности и большей сопротивляемости распылению//

  • dan14444

    При всех достоинствах стеклоуглерода — не совсем очевидна «попаданческость»…
    При дешевизне платины до конца 19 века, и при весьма высоких требованиях
    к технологии стеклоуглерода (попаданец на коленке — замается повторять «5-10 градусов в час»)…
    Филаменты, если их к нему отнести — и так делали.

    В общем, сделать можно, и материал любопытный — но конкретно ради какого прорыва будем возится?
    И для какого исторического периода?

  • dan14444

    При всех достоинствах стеклоуглерода — не совсем очевидна «попаданческость»…
    При дешевизне платины до конца 19 века, и при весьма высоких требованиях
    к технологии стеклоуглерода (попаданец на коленке — замается повторять «5-10 градусов в час»)…
    Филаменты, если их к нему отнести — и так делали.

    В общем, сделать можно, и материал любопытный — но конкретно ради какого прорыва будем возится?
    И для какого исторического периода?

Leave a Reply

You can use these HTML tags

<a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <s> <strike> <strong>