Węgiel pirolityczny

Arkusze węgla pirolitycznego

Węgiel pirolityczny to materiał podobny do grafitu , ale z pewnymi wiązaniami kowalencyjnymi pomiędzy arkuszami grafenu w wyniku niedoskonałości w jego produkcji.

Węgiel pirolityczny jest produktem człowieka i uważa się, że nie występuje w przyrodzie. Generalnie wytwarza się go przez ogrzewanie węglowodoru prawie do temperatury rozkładu i umożliwienie krystalizacji grafitu ( piroliza ).

Jedną z metod jest ogrzewanie włókien syntetycznych w próżni .

Jest stosowany w zastosowaniach wysokotemperaturowych, takich jak stożki czołowe rakiet , silniki rakietowe, osłony termiczne, piece laboratoryjne, w tworzywach sztucznych wzmocnionych grafitem , powlekanie cząstek paliwa jądrowego oraz w protezach biomedycznych .

Właściwości fizyczne

Próbki grafitu pirolitycznego mają zwykle pojedynczą płaszczyznę rozszczepienia , podobnie jak mika , ponieważ arkusze grafenu krystalizują w sposób płaski, w przeciwieństwie do węgla pirolitycznego , który tworzy mikroskopijne, losowo zorientowane strefy. Z tego powodu grafit pirolityczny wykazuje kilka niezwykłych anizotropowych . Jest bardziej przewodzący ciepło w płaszczyźnie rozszczepienia niż węgiel pirolityczny, co czyni go jednym z najlepszych dostępnych na rynku płaskich przewodników ciepła.

Grafit pirolityczny tworzy kryształy mozaiki o kontrolowanej mozaikowości do kilku stopni.

Grafit pirolityczny jest również bardziej diamagnetyczny ( χ = −4 × 10 ⁻⁴ ) w stosunku do płaszczyzny rozszczepienia, wykazując największy diamagnetyzm (wagowo) spośród wszystkich diamagnetyków pracujących w temperaturze pokojowej. Dla porównania , grafit pirolityczny ma przepuszczalność względną 0,9996, podczas gdy bizmut ma przepuszczalność względną 0,9998 ( tabela ).

Lewitacja magnetyczna

Grafit pirolityczny lewitujący nad magnesami trwałymi

Niewiele materiałów można stabilnie lewitować magnetycznie nad polem magnetycznym magnesu trwałego. Chociaż odpychanie magnetyczne jest oczywiście i łatwe do osiągnięcia pomiędzy dowolnymi dwoma magnesami, kształt pola powoduje, że górny magnes odpycha się na boki, zamiast pozostać podpartym, co uniemożliwia stabilną lewitację obiektów magnetycznych (patrz twierdzenie Earnshawa ) . Materiały silnie diamagnetyczne mogą jednak lewitować nad potężnymi magnesami.

Dzięki łatwej dostępności magnesów trwałych z metali ziem rzadkich opracowanych w latach 70. i 80. XX wieku silny diamagnetyzm grafitu pirolitycznego sprawia, że ​​jest on wygodnym materiałem demonstracyjnym dla tego efektu.

W 2012 roku grupa badawcza w Japonii wykazała, że ​​grafit pirolityczny może reagować na światło lasera lub wystarczająco silne naturalne światło słoneczne, wirując lub poruszając się w kierunku gradientu pola. Podatność magnetyczna węgla słabnie po wystarczającym oświetleniu, co prowadzi do niezrównoważonego namagnesowania materiału i ruchu przy użyciu określonej geometrii.

Aplikacje

• Jest stosowany jako niewzmocniony w stożkach czołowych rakiet i ablacyjnych (chłodzonych odparowaniem) silnikach rakietowych .
• W postaci włókien służy do wzmacniania tworzyw sztucznych i metali (patrz Włókno węglowe i Tworzywa sztuczne wzmocnione grafitem ).
• Reaktory jądrowe ze złożem żwirowym wykorzystują powłokę węgla pirolitycznego jako moderatora neutronów dla poszczególnych kamyków.
• Stosowany do powlekania kuwet (rur) grafitowych w atomowych piecach absorpcyjnych z piecem grafitowym w celu zmniejszenia naprężeń cieplnych, zwiększając w ten sposób żywotność kuwet.
• Węgiel pirolityczny jest używany do kilku zastosowań w elektronicznym zarządzaniu ciepłem: materiał interfejsu termicznego, rozpraszacze ciepła (arkusze) i radiatory (lamele).
• Czasami wykorzystuje się go do produkcji fajek tytoniowych .
• Służy do wytwarzania struktur siatkowych w niektórych lampach próżniowych dużej mocy .
• Stosowany jest jako monochromator do badań rozpraszania neutronów i promieni rentgenowskich.
• Protetyczne zastawki serca
• Proteza głowy promieniowej
• Jest również stosowany w przemyśle motoryzacyjnym, gdzie wymagana jest pożądana wielkość tarcia między dwoma elementami.
• Wysoko zorientowany grafit pirolityczny (HOPG) jest stosowany jako element dyspersyjny w spektrometrach HOPG, które są wykorzystywane w spektrometrii rentgenowskiej.
• Stosowany jest w sprzęcie ochrony osobistej.

Zastosowania biomedyczne

Ponieważ nie tworzą się na nim łatwo skrzepy krwi, często zaleca się wyłożenie tym materiałem protezy mającej kontakt z krwią, aby zmniejszyć ryzyko zakrzepicy . Znajduje zastosowanie na przykład w sztucznych sercach i sztucznych zastawkach serca . Z kolei stenty naczyń krwionośnych są często wyłożone polimerem zawierającym heparynę jako grupę boczną, a działanie leku zapobiega krzepnięciu. Dzieje się tak przynajmniej częściowo z powodu kruchości węgla pirolitycznego i dużej ilości trwałe odkształcenie , któremu ulega stent podczas rozszerzania.

Węgiel pirolityczny ma również zastosowanie medyczne do powlekania anatomicznie prawidłowych implantów ortopedycznych, czyli stawów zastępczych . W tym zastosowaniu jest on obecnie sprzedawany pod nazwą „PyroCarbon”. Implanty te zostały zatwierdzone przez amerykańską Agencję ds. Żywności i Leków do stosowania w dłoni w celu endoprotezoplastyki stawu śródręczno-paliczkowego. Produkują je dwie firmy: Tornier (BioProfile) i Ascension Orthopedics. W dniu 23 września 2011 r. firma Integra LifeSciences przejęła firmę Ascension Orthopedics. Pirolityczne implanty węglowe firmy są stosowane w leczeniu pacjentów z różnymi postaciami choroby zwyrodnieniowej stawów. W styczniu 2021 roku Integra LifeSciences sprzedała swoją firmę ortopedyczną firmie Smith+Nephew za 240 milionów dolarów.

FDA zatwierdziła również protezy stawów międzypaliczkowych PyroCarbon w ramach zwolnienia dotyczącego wyrobów humanitarnych .