Carbon materials: Properties, Application, Development

The carbon materials are ancient and also a new type of material. As early as prehistory, human activities had a relationship with carbon substances. From early, rough carbon materials to modern, high-quality industrial carbon materials, it has a history of more than 100 years in the world.

The carbon material is a general term for carbon-based substances and solid materials. Thry are usually composed of graphite crystallites. However, there are considerable differences in the crystallites’ size and the crystallites’ three-dimensional arrangement crystallitescrystallites in various carbon materials kristalitler.

Karbon Malzemeler Kategorisi

Bu nedenle, karbonlu, grafitli ve yarı grafitli olmak üzere üç tür karbon malzeme vardır.

According to the maturity of production technology and the extensiveness of application, carbon materials can be divided into commonly used and new carbon materials.

Geliştirme

1896

In 1896, Acheson of the United States invented artificial graphite electrodes. In 1899, the Acheson Graphite Company was established to produce artificial graphite electrodes. The emergence of artificial graphite has opened a new page for the development of the carbon industry.

1942

1942 yılında, Amerika Birleşik Devletleri'nde eğitim gören İtalyan nükleer fizikçi Formi, ilk atom reaktörünü inşa etmiştir. Bu uygulamada nötron moderatör malzemesi yüksek saflıkta ve yüksek yoğunlukta grafittir.

1940'lar ve 1950'ler

In the 1940s and 1950s, an important achievement in the development of carbon materials. In addition to graphite for nuclear reactors, high-purity, and high-density graphite was used to heat elements, crucibles, boats, and dishes in refining semiconductor single-crystal furnaces.

1950'ler ve 1960'lar

1950'lerde ve 1960'larda önemli bir başarı olan pirolitik karbon ve pirolitik grafit başarıyla geliştirilmiştir. Bu ürünler havacılık, tıp ve biyoloji gibi çeşitli alanlarda rol oynamaktadır.

1960'lar ve 1970'ler

1960'lar ve 1970'lerdeki ana başarı, karbon fiber ve kompozit malzemelerini yapmaktı. Aynı zamanda, insanlar camsı karbon ve esnek grafiti başarıyla geliştirdiler.

1980s

1980'lerin sonlarından bu yana elmas filmler, karbon nanotüpler, grafen ve karbon kuantum noktaları gibi yeni karbon malzemeler üzerine araştırmalar artmaktadır.

Karbon malzemelerin temel özellikleri:

Yüksek Termal ve Elektriksel İletkenlik:

Grafit ve karbon nanotüpler gibi karbon malzemeler mükemmel termal ve elektrik iletkenliği sergiler. Bu özellik, verimli ısı transferi ve elektrik iletimi sağlayarak onları elektronik, enerji depolama ve termal yönetim sistemleri uygulamaları için ideal hale getirir.

Mekanik Güç ve Kararlılık:

They are known for their exceptional mechanical strength and stability. For example, carbon fiber composites possess high tensile strength and stiffness, making them lightweight yet robust. This property is advantageous in the aerospace, automotive, and sporting equipment industries, where the strength-to-weight ratio is critical.

Kimyasal İnertlik:

They are generally chemically inert and have low reactivity to most chemicals and environments. This property ensures their durability and resistance to corrosion, making them suitable for applications in harsh chemical environments and as protective coatings.

Yağlama Özellikleri:

Bir karbon formu olan grafit, mükemmel yağlama özelliklerine sahiptir. Katmanlı yapısı, katmanlar arasında kolay kayma sağlayarak sürtünmeyi ve aşınmayı azaltır. Grafit genellikle otomotiv motorlarında, endüstriyel makinelerde ve kilit uygulamalarında yağlayıcı olarak kullanılır.

Optik Şeffaflık:

Tek bir grafit tabakası olan grafen, olağanüstü optik özellikler sergiler. Neredeyse şeffaftır ve yüksek ışığı emer, bu da onu şeffaf iletken filmler, dokunmatik ekranlar ve fotovoltaik uygulamalar için değerli kılar.

Gözeneklilik ve Adsorpsiyon Kabiliyeti:

Aktif karbon ve karbon nanotüpler gibi bazı karbon malzemeler yüksek yüzey alanına ve gözenekliliğe sahiptir. Bu özellik gazları, sıvıları ve kirleticileri adsorbe etmelerini ve depolamalarını sağlar. Örneğin aktif karbon, mükemmel adsorpsiyon yetenekleri nedeniyle su arıtma ve hava filtreleme için yaygın olarak kullanılmaktadır.

Biyouyumluluk:

Karbon malzemeler, özellikle grafen ve karbon nanotüpler, biyomedikal uygulamalarda umut vaat etmektedir. Biyouyumluluk sergilerler, yani düşük toksisiteye sahiptirler ve canlı hücreler tarafından iyi tolere edilirler. Bu özellik, ilaç dağıtım sistemleri, doku mühendisliği ve biyosensörler için olanaklar sunmaktadır.

Uygulama:

• Graphite: The Foundation of Carbon Material

Grafit, a form of carbon with a layered structure, is a fundamental building block for carbon materials. Its unique properties, including high electrical conductivity, thermal resistance, and lubricating behavior, make it invisible in applications such as electrodes, refractories, and lubricants. Graphite’s versatility has propelled it as a cornerstone material across industries, from steel production to energy storage systems.

• Karbon Nanotüpler: Nano Mühendislik Harikaları

Karbon nanotüpler (CNT'ler), nano ölçekli alandaki en dikkat çekici karbon malzemelerden birini temsil etmektedir. Olağanüstü güçleri, yüksek elektriksel ve termal iletkenlikleri ve geniş en-boy oranlarıyla CNT'ler çeşitli alanlarda uygulama alanı bulmuştur. Elektronik, havacılık, enerji depolama ve biyotıp sektörlerinde büyük umut vaat etmektedirler. Karbon nanotüplerin potansiyel kullanım alanları hafif ve sağlam malzemelerden ultra hassas sensörlere ve gelişmiş ilaç dağıtım sistemlerine kadar uzanmaktadır.

• Grafen: Devrim Niteliğinde 2 Boyutlu Bir Malzeme

Grafen, a single layer of graphite, has garnered enormous attention for its extraordinary properties and endless possibilities. With exceptional electrical conductivity, mechanical strength, and thermal properties, graphene offers new avenues for innovation. Its potential applications range from flexible electronics, transparent conductive films, and high-performance composites to sensors, energy storage devices, and water filtration systems. Developing graphene-based materials drives significant electronics, energy, and environmental sustainability advancements.

• Karbon Fiber: Hafif Güç

Karbon fiber kompozitler, ağırlık azaltmanın ve yüksek mukavemetin çok önemli olduğu endüstrilerde oyunun kurallarını değiştiren bir unsur olarak ortaya çıkmıştır. Karbon elyafın olağanüstü mukavemet/ağırlık oranı, onu havacılık, otomotiv, spor ekipmanları ve rüzgar enerjisi uygulamalarında tercih edilen bir seçenek haline getirmektedir. İleri üretim tekniklerinin geliştirilmesi, gelişmiş performans ve maliyet etkinliğine sahip karbon elyaf kompozitlerin üretilmesini sağlamıştır.

• Karbon Bazlı Enerji Depolama: Geleceğe Güç Vermek

Carbon materials are pivotal in energy storage systems such as lithium-ion batteries and supercapacitors. Graphite electrodes, carbon nanotube conductive additives, and graphene-based material enable the development of high-performance and efficient energy storage devices. These advancements are crucial for the transition to renewable energy sources and the electrification of transportation.

Sonuç:

Karbon malzemeler olağanüstü özellikleri, çok yönlülükleri ve heyecan verici gelişmeleriyle endüstrilerde devrim yaratmıştır. Ayrıca grafit, karbon nanotüpler, grafen, karbon fiber ve karbon bazlı enerji depolama sistemleri çeşitli alanlarda inovasyonu teşvik etmektedir. Özellikle, dikkat çekici özellikleri ve uygulamaları hafif ve sağlam malzemeler, gelişmiş elektronikler, enerji depolama ve sürdürülebilir çözümler için yeni kapılar açmıştır. Araştırma ve geliştirme sınırları zorlamaya devam ettikçe, karbon malzemelerin teknolojinin geleceğini şekillendirmesini ve bizi daha sürdürülebilir ve verimli bir dünyaya doğru itmesini bekleyebiliriz.