初創新技術製玻璃碳 免被外國卡脖子

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。

[新經濟新天地]