Koolstofmaterialen

Koolstofmaterialen verwijzen naar materialen waarin koolstof de belangrijkste component is. Ze tonen een grote variatie in structuur en eigenschappen, variërend van kristallijne allotropen zoals diamant en grafiet tot nanostructuren zoals grafenen, koolstofnanobuisjes en fullerenen, en tot amorfe koolstof. Door hun hoge sterkte-gewichtverhouding, chemische inertie en uitstekende elektrische en thermische geleidbaarheid spelen koolstofmaterialen een prominente rol in technologie en industrie.

Klassieke koolstofmaterialen omvatten grafiet (laagjes koolstofatomen in sp2-bindingen) en diamant (netwerk van sp3-bindingen). Nanostructuren zoals grafenen, koolstofnanobuisjes (CNTs) en fullerenen bieden unieke eigenschappen zoals hoge treksterkte, buigzaamheid en uitstekende conductiviteit. Amorf koolstof vormt een minder geordend spectrum van bindingen en kan porositeit en oppervlakte-activiteit beïnvloeden.

Belangrijke eigenschappen zijn onder meer een hoge sterkte-gewichtverhouding, lage dichtheid, uitstekende elektrische en thermische geleidbaarheid, chemische stabiliteit en variabele porositeit. De materiaalkeuze hangt af van de gewenste balans tussen mechanische prestaties, geleidbaarheid, chemische bestendigheid en kosten. Synthese en verwerking omvatten methoden zoals chemical vapour deposition (CVD), pyrolyse, mechanische exfoliatie en oppervlaktefunctionalisatie. Het disperseren en integreren in polymeren of metalen vereist vaak compatibilisatie en oppervlaktebehandeling.

Toepassingen zijn breed: versterking van composieten in lucht- en ruimtevaart en auto-industrie, sportuitrusting, elektronische en optische componenten, energieopslag zoals batterijen en supercondensatoren, katalyse en filtratie- of membraanapparatuur, en sensorsystemen.

Uitdagingen omvatten kosten en schaalbaarheid, verwerking en compatibiliteit in systemen, evenals veiligheids- en milieu-overwegingen bij nanostructuren en end-of-life disposal.