【明報專訊】「玻璃碳」是一種擁有極佳物理化學性質的人造材料,在高科技行業應用愈趨廣泛。可是,以傳統的技術燒製「玻璃碳」的良率很低,且掌握在少數外國手中,變相令其價格居高不下。有本地初創企業就研究出以新技術製造「玻璃碳」,既可以大幅提升良率,從而降低成本,還可以解決被外國「卡脖子」的問題。
明報記者 薛偉傑
攝影 蘇智鑫
碳索科技有限公司創辦人、理工大學機械及工程學系博士生楊熠表示,所謂「玻璃碳」(Glass-like Carbon或Glassy Carbon,又稱Vitreous Carbon),其實是一種由碳原子構成的非晶態、非石墨化的碳材料,當中並沒有玻璃成分,在1950年代中期才由英國材料科學家Bernard Redfern在實驗室首次製造出來。
「玻璃碳」的分子結構和石墨截然不同(雖然兩者都是由碳原子組成),其物理化學性質結合了玻璃和陶瓷的屬性,包括:硬度高(莫氏硬度7,一般石墨只是1至2)、抗高壓、耐磨損、耐高溫(尤其在沒有氧氣的環境中)、阻燃、抗腐蝕、高化學惰性、一定的導電性、低摩擦,以及熱脹系數小、氣密性好、不會被氣體或液體滲透等。
「玻璃碳」可以用來製成模具,冶煉貴金屬的高溫坩堝、航空航天和汽車行業的結構部件,以及作為電極材料,應用於大型醫學儀器、電化學、半導體行業等。
適合冶金航天電化學等用途
4年前,楊熠報讀理工大學機械及工程學系的博士課程時,教授給他幾個研究項目作選擇。由於他喜歡做實驗,不喜歡太過理論化的研究項目,所以選擇了以「玻璃碳」作為研究課題。他指出,傳統商業化生產的「玻璃碳」,都是採用粉末冶金工藝那種燒製方式。但以這種方式製造「玻璃碳」的缺點是,良率很低,間接引致耗能大,生產成本高昂。此外,亦難以製成較厚或較大尺寸(若厚度超過6毫米,便很容易裂開)。再加上生產技術主要掌握在美國、歐盟和日本企業手中,市場競爭不足,售價高企不下。例如,一個在歐洲生產、容量只是10毫升的「玻璃碳」燒杯,售價就要338歐元(約2930港元)。由美國廠家生產、容量95毫升的「玻璃碳」蒸發器皿,售價更要649.9美元(約5069港元);直徑7毫米和長度50毫米的「玻璃碳棒」,亦賣到362美元(約2824港元)。
據他了解,內地現時生產的主要只是「玻璃碳」粉末,內地使用的「玻璃碳」產品,很多都需要由美國、歐盟和日本入口。「玻璃碳」產品和相關生產技術,屬於被外國「卡脖子」的東西。
楊熠用了幾年時間,研究出一套成本低得多的生產方法。簡單來說,就是透過熱解塊狀的前驅體(固化了的酚醛樹脂),來直接產生同一形狀的「玻璃碳」產品。
大幅提高良率 可望降成本
首先,是將液態的酚醛樹脂,倒入以數控切割機(CNC)製造的普通金屬模具中。然後,再將那個金屬模具放入電熱鼓風乾燥箱內,在適當溫度下,一段時間後,酚醛樹脂就會固化。
將固化後的那件酚醛樹脂脫離模具,再放入一個管式爐內加熱。那件酚醛樹脂就會發生熱解反應,自行分解出二氧化碳、一氧化碳、甲烷等多種氣體和水分,最後剩下那件體積縮小了的固體,就是「玻璃碳」製成品。
由於這樣熱解產生的「玻璃碳」製成品的長闊高,都是熱解之前的酚醛樹脂的80%,所以在設計酚醛樹脂的金屬模具時,就要先將尺寸相應放大。此外,為了避免在酚醛樹脂的熱解過程中出現其他化學反應,還需要將一些惰性氣體輸入管式爐內,來代替空氣。
日內瓦國際發明展獲銅獎
楊熠指出,以熱解技術製造「玻璃碳」的優點是,其良率比粉末燒製方式高出多倍,而且相關設備也便宜得多。兩個因素合計,可望令「玻璃碳」的生產成本下降一大截。此外,他早前還利用熱解技術試製出厚度達13.52毫米的「玻璃碳」產品,比市場上現有的一般「玻璃碳」產品厚得多。
早在2021年4月份的「日內瓦國際發明展」中,楊熠已獲得一個銅獎。之後,在香港大學生創新及創業大賽2023中,再獲得一個二等獎。在今年7月底於美國加州舉行的「矽谷國際發明創新節」(SVIIF)中,他更獲得一個金獎。
現時,該公司仍在微調生產過程中的某些參數,以盡量優化成本效益,但整體來說,這套技術方案已差不多接近穩定。