Weitere Kohlenstoff-Modifikationen
Neben dem Graphit sind Diamant, Fullerene, Aktivkohle, Glaskohlenstoff und Carbon Nanotubes (Kohlenstoff-Nanoröhrchen) weitere Modifikationen des Kohlenstoffs. Zur wichtigsten Gruppe zählen hier die Aktivkohlen, die sich wegen ihrer enorm großen inneren Oberflächen bestens als Träger- oder Filtermaterial eignen. Viele Anlagen zur Abluft- oder Abwasserreinigung nutzen dieses Material, das aus pflanzlichen, tierischen, mineralischen oder petrochemischen Rohstoffen hergestellt wird. So dient die Aktivkohle als Adsorptionsmittel in der Prozessgas- und Abwasserbehandlung, in der Lüftungs- und Klimatechnik sowie im Bereich der ABC-Schutztechnik.
Allein schon wegen seines Preises ist der Diamant als technischer Werkstoff seltener zu finden. Hier konzentrieren sich die Anwendungen auf die ausgesprochen hohe Härte (Mohs'sche Härte = 10) und eine der höchsten Wärmeleitfähigkeiten aller bekannten Substanzen bei gleichzeitig hervorragender elektrischer Isolationswirkung (in undotierter Form). Diamant wird deshalb vornehmlich zur Hartbearbeitung (Bohren, Fräsen, Schleifen, Polieren) eingesetzt, in Verbundmaterialien als Wärmesenken in der Mikroelektronik oder in Form von verschleißbeständigen Schichten. Dotierter Diamant wird dank seiner elektrischen Leitfähigkeit in der Hochfrequenztechnik, der Synthesechemie oder der Abwasseraufbereitung eingesetzt.
Zwar besitzen Nanoröhrchen aus Kohlenstoff bislang nur geringe technische Bedeutung, ihre intrinsischen Materialeigenschaften sind jedoch so herausragend, dass ihnen überaus viel versprechende Perspektiven zugerechnet werden. Bei einer Dichte von nur ca. 1,3 g/cm3 verfügen sie über eine Zugfestigkeit von mehr als 50 GPa und einen E-Modul von mehr als 1 GPa. Im Vergleich: Stahl erreicht bestenfalls eine Zugfestigkeit von 2 GPa, und das bei einer 6-8 Mal höheren Dichte. Gerade in Verbundwerkstoffen könnten diese extrem hohen spezifischen mechanischen Eigenschaften von hohem Nutzen sein, entweder zur Ergänzung in CFC- oder CFK-Verbunden oder als eigenständige Verstärkungskomponente. Für die Elektronikindustrie interessant sind vor allem die im Idealfall etwa 1000-mal höhere Strombelastbarkeit als bei Kupferdrähten sowie die Wärmeleitfähigkeit von 6000 W/m•K bei Raumtemperatur, die fast doppelt so hoch liegt, wie die von Diamant (3320 W/m•K). Als Halbleitermaterial halten die Nanoröhrchen aus Kohlenstoff höhere Spannungen und Temperaturen - und damit höhere Taktfrequenzen – als Siliziumtransistoren aus. Theoretisch also ein perfekter Ersatz-Werkstoff für die Herstellung von Chips. Als Additiv in Polymeren finden die Nanotubes im Gegensatz zu den zuvor genannten Gebieten bereits verschiedene Anwendungen. Wegen der im Vergleich zu Ruß deutlich geringeren Perkolationsschwelle sind nur wenige Prozent (3-7) an Nanoröhrchen nötig, um die Leitfähigkeit eines Kunststoffes um Größenordnungen zu erhöhen. Dadurch bleiben die Eigenschaften des Polymers erhalten, die Verarbeitung wird deutlich vereinfacht.
Der Glaskohlenstoff (glassy carbon) unterscheidet sich vom Graphit durch seinen äußerst geringen Ordnungsgrad (daher auch der Name). Er besitzt eine extrem hohe Härte, eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit, ist unter Schutzgas bis zu sehr hohen Temperaturen stabil und weist zudem eine hohe Festigkeit auf. Wegen der daraus resultierenden hohen Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit sowie der guten elektrischen Leitfähigkeit finden Schichten aus Glaskohlenstoff Anwendungen in der Elektrochemie und in der chemischen Verfahrenstechnik.
Die dritte in der Natur vorkommende stabile Modifikation des Kohlenstoffs ist das Fulleren. Diese Kohlenstoffcluster mit 60 bis 100 Kohlenstoffatomen wurden erst 1985 entdeckt. Sie bilden hochsymmetrische, räumliche Körper von denen das Buckminster-Fulleren zu den bekanntesten zählt. Ihre technische Nutzung befindet sich noch im Anfangsstadium.
Allein schon wegen seines Preises ist der Diamant als technischer Werkstoff seltener zu finden. Hier konzentrieren sich die Anwendungen auf die ausgesprochen hohe Härte (Mohs'sche Härte = 10) und eine der höchsten Wärmeleitfähigkeiten aller bekannten Substanzen bei gleichzeitig hervorragender elektrischer Isolationswirkung (in undotierter Form). Diamant wird deshalb vornehmlich zur Hartbearbeitung (Bohren, Fräsen, Schleifen, Polieren) eingesetzt, in Verbundmaterialien als Wärmesenken in der Mikroelektronik oder in Form von verschleißbeständigen Schichten. Dotierter Diamant wird dank seiner elektrischen Leitfähigkeit in der Hochfrequenztechnik, der Synthesechemie oder der Abwasseraufbereitung eingesetzt.
Zwar besitzen Nanoröhrchen aus Kohlenstoff bislang nur geringe technische Bedeutung, ihre intrinsischen Materialeigenschaften sind jedoch so herausragend, dass ihnen überaus viel versprechende Perspektiven zugerechnet werden. Bei einer Dichte von nur ca. 1,3 g/cm3 verfügen sie über eine Zugfestigkeit von mehr als 50 GPa und einen E-Modul von mehr als 1 GPa. Im Vergleich: Stahl erreicht bestenfalls eine Zugfestigkeit von 2 GPa, und das bei einer 6-8 Mal höheren Dichte. Gerade in Verbundwerkstoffen könnten diese extrem hohen spezifischen mechanischen Eigenschaften von hohem Nutzen sein, entweder zur Ergänzung in CFC- oder CFK-Verbunden oder als eigenständige Verstärkungskomponente. Für die Elektronikindustrie interessant sind vor allem die im Idealfall etwa 1000-mal höhere Strombelastbarkeit als bei Kupferdrähten sowie die Wärmeleitfähigkeit von 6000 W/m•K bei Raumtemperatur, die fast doppelt so hoch liegt, wie die von Diamant (3320 W/m•K). Als Halbleitermaterial halten die Nanoröhrchen aus Kohlenstoff höhere Spannungen und Temperaturen - und damit höhere Taktfrequenzen – als Siliziumtransistoren aus. Theoretisch also ein perfekter Ersatz-Werkstoff für die Herstellung von Chips. Als Additiv in Polymeren finden die Nanotubes im Gegensatz zu den zuvor genannten Gebieten bereits verschiedene Anwendungen. Wegen der im Vergleich zu Ruß deutlich geringeren Perkolationsschwelle sind nur wenige Prozent (3-7) an Nanoröhrchen nötig, um die Leitfähigkeit eines Kunststoffes um Größenordnungen zu erhöhen. Dadurch bleiben die Eigenschaften des Polymers erhalten, die Verarbeitung wird deutlich vereinfacht.
Der Glaskohlenstoff (glassy carbon) unterscheidet sich vom Graphit durch seinen äußerst geringen Ordnungsgrad (daher auch der Name). Er besitzt eine extrem hohe Härte, eine sehr gute Korrosionsbeständigkeit, ist unter Schutzgas bis zu sehr hohen Temperaturen stabil und weist zudem eine hohe Festigkeit auf. Wegen der daraus resultierenden hohen Verschleiß- und Korrosionsbeständigkeit sowie der guten elektrischen Leitfähigkeit finden Schichten aus Glaskohlenstoff Anwendungen in der Elektrochemie und in der chemischen Verfahrenstechnik.
Die dritte in der Natur vorkommende stabile Modifikation des Kohlenstoffs ist das Fulleren. Diese Kohlenstoffcluster mit 60 bis 100 Kohlenstoffatomen wurden erst 1985 entdeckt. Sie bilden hochsymmetrische, räumliche Körper von denen das Buckminster-Fulleren zu den bekanntesten zählt. Ihre technische Nutzung befindet sich noch im Anfangsstadium.
