Презентації та публікації

Вуглець (карбон) є одним з основних елементів, що формують життя на Землі, і про це можна було б говорити досить довго. Розглянемо алотропні модифікації цього елемента.

Алмази. Спроби синтезувати алмаз з графіту робив ще Бріджмен (який також відкрив чорний фосфор і взагалі відомий роботами в області високих тисків). Але Бріджмену отримати алмази не вдалося, зате вдалося вченим у Швеції та компанії «General Electric». Перші раніше отримали алмази, другі першими опублікували результати.

В даний час алмази виробляються в безпресових апаратах типу «розрізна сфера» («Split Sphere»). Виробництво алмазів налагоджено в багатьох країнах. Алмазний порошок виглядає як яскраво-жовтий блискучий пісок, а якщо помістити його під мікроскоп, видно, що він складається з добре огранених кристаликів (в основному, кубооктаедр). Від форми кристалів і їх досконалості залежить сорт і ціна абразивного порошку. Чим більш «округлі» і досконалі кристали в абразиві, тим більше навантаження вони можуть витримати без руйнування і тим довговічніше абразив (і тим для більш важких робіт його можна застосовувати).

Добре відомо, що ціна алмазів сильно залежить від їх розміру, причому залежність не прямо пропорційна, а квадратична. Тобто, камінь в два рази більшої ваги коштуватиме в чотири рази дорожче. Ця залежність працює для каменів середнього розміру і однакової якості. Від якості алмазу його ціна залежить не менше. Наприклад, огранений діамант хорошої якості, вагою в карат, коштує близько 10 тисяч доларів, а необроблений непрозорий камінь з тріщинами може коштувати на два-три порядки менше.

Кристал, з якого роблять різці (а також алмазні скальпелі, склорізи, філь'єри тощо), може бути каламутним, пофарбованим, але в ньому не повинно бути тріщин. Алмазні різці та фрези використовуються для обробки кольорових металів, пластмас, армованих композитів, а ось сталь такими різцями точити не варто. Вуглець прилипає до ріжучої кромки кристала і відриває від неї осколки, псуючи різець. Зате на обробці, наприклад, пластиків, алмаз може працювати без перезаточки практично вічно і дає дуже чисту, практично дзеркальну поверхню. До речі, цьому сприяє висока теплопровідність алмазу, яка допомагає відводити тепло від оброблюваного виробу.

Якщо запитати, який матеріал володіє найвищою теплопровідністю, більшість людей відповість: срібло. Це не так. Після надтекучого гелію, який володіє найвищою теплопровідністю (але, правда, існує тільки при температурі нижче 2.17 Кельвіна), найкраще проводить тепло алмаз. Його теплопровідність у двадцять разів вище, ніж у срібла. До речі, як це не смішно, але синтетичні алмази іноді використовують як тепловідводи в напівпровідниковій техніці, правда невеликий (5х5х1 мм) кристалик, використовуваний для цих цілей, коштує близько 250 євро.

Графіт. Графіт це, мабуть, сама використовувана в техніці форма вуглецю. Він зустрічається і в самородному вигляді, але для технічних застосувань частіше використовується синтетичний графіт.

Електроди для дугових печей і електролізерів, сповільнювач в ядерних реакторах, матеріал тиглів і човників для плавки металів, футеровка хімічних апаратів, матеріал нагрівальних елементів, ущільнення - ось далеко не повний список застосувань графіту. Графіт має високу теплопровідність і дуже стійкий до перепадів температури (тобто, наприклад, розпечений тигель з графіту можна швидко охолодити і він не трісне ).

Графіт дуже легко піддається механічній обробці і з нього зручно вирізати формочки для відливання легкоплавких металів. Графітові блоки можна легко точити і фрезерувати навіть на невеликих настільних верстатах. Правда, треба стежити, щоб обраний для обробки графіт був чистим і не містив глини, інакше різці досить швидко тупляться.

Піролітичний графіт. Його отримують розкладанням летючих вуглецевих сполук на поверхнях, нагрітих до високих температур (піролізом). При такому способі отримання кристали графіту ростуть орієнтовано, і тому піролітичний графіт володіє сильно вираженою анізотропією. Ну, наприклад, його можна так само легко, як слюду, розщепити на більш тонкі листочки. А ще з піролітичним графітом можна провести цікавий дослід. Графіт є одним з найсильніших діамагнетиків (ще вісмут і надпровідники), причому магнітна проникність у графіту залежить від напрямку, тому якщо тонку пластинку графіту помістити над сильними магнітами, вона буде левітувати на висоті в пару міліметрів.

Тигель з скловуглецю. Не впевнений, що його можна назвати алотропною модифікацією вуглецю, але однією з різновидів - цілком. Скловуглець має властивості, які роблять його дуже хорошим матеріалом для виготовлення тиглів. Він стійкий на повітрі до температури 500-600 °C, а у вакуумі - до 2500 °C. Не реагує з більшістю мінеральних кислот, розплавами багатьох напівпровідникових сполук, а також таких металів, як золото, срібло, мідь. Володіє низькою газопроникністю і високою стійкістю до перепадів температури.

Фулерени. Фулерени це одна з найбільш «нових» алотропних модифікацій вуглецю. Вперше вони були виявлені в 1985 році, а потім отримані в препаративних кількостях випаровуванням графіту в атмосфері гелію. В даний час це один з основних методів отримання фулеренів. Метод сам по собі не дуже складний, але повна процедура виділення чистих фулеренів з суміші (при випаровуванні утворюється суміш C60 і C70 з невеликою домішкою інших фулеренів) досить трудомістка. Тому в даний час ціна на фулерени досить висока і складає приблизно 25 $ за грам C60 чистотою 99.5 %. C70 дорожче і коштує близько 270 $ за грам 98 % фулеренів.

Нанотрубки. Ще одна модифікація вуглецю, яка за своєю будовою схожа на фулерени, називається нанотрубки. Якщо молекула фулерену за формою нагадує м'ячик, молекули нанотрубок мають форму саме порожнистих трубок, стінки яких складаються з атомів вуглецю. Зовні, нанотрубки представляють собою аморфний порошок глибокого чорного кольору. Ті нанотрубки, стінки яких складаються з одного шару атомів вуглецю називаються одностінними нанотрубками (SWNT, single wall nanotubes), але існують так само молекули, в яких кілька вуглецевих трубок різного діаметру як би вставлені одна в іншу. Такі молекули називають MWNT (multi wall nanotubes). По українські напевно буде багатостінні нанотрубки, хоча англійський варіант мені зустрічався частіше.

Вуглепластик. Вуглепластики, це композитні матеріали, що одержали широке поширення за останні двадцять років, хоча в таких галузях, як авіакосмічна, вони застосовуються ще з сімдесятих років минулого століття. В даний час, з цих композитних матеріалів роблять деталі більше спортивного інвентарю, каркаси авіамоделей і багато інших деталей, де необхідно мати малу вагу при високій міцності. За своєю будовою, вуглепластик (по англійськи Carbon fiber reinforced polymer) схожий на композитні матеріали на основі скловолокна (склопластики), але замість скляних волокон використовуються вуглецеві. Оскільки вуглецеве волокно має дуже високу міцність на розрив і низьку щільність, після армування ним полімерів, виходить дуже легкий матеріал, по міцності перевершує деякі види сталі. Зрозуміло у цього чудового матеріалу є і свої недоліки, які перешкоджають його повсюдного застосування. По перше це досить висока ціна, обумовлена складністю отримання як самих вуглецевих волокон так і готових виробів з вуглепластика. По друге, полімери, що зв'язують вуглецеві волокна, можуть деградувати під дією сонячного світла і міцність матеріалу буде знижуватися. Не дивлячись на те, що вуглецеве волокно володіє винятковою термостійкістю і може витримувати температури вище тисячі градусів, термостійкість вуглепластиків визначається полімерною сполукою (тобто, як правило, не перевищує 200-300 °C). Ну і так само, пошкоджені вироби досить складно відремонтувати із збереженням колишнього вигляду.

Існує кілька способів виробництва деталей з вуглепластиків. Один з них, використовуваний наприклад у виробництві корпусів або інших об'ємних деталей, включає в себе:

- виготовлення прототипу корпусу (наприклад з дерева, пінопласту або алюмінію);

- покриття прототипу розділовим шаром (наприклад воском), який не дає полімерній сполуці прилипати до моделі;

- нанесення сполучної речовини (наприклад, епоксидної смоли);

- накладання декількох шарів вуглецевої тканини з промазуванням кожного шару смолою;

- притискання і вирівнювання всіх шарів вакуумною оболонкою з наступним затвердінням смоли.

Тривимірний вуглецевий композит. Як було написано вище, полімерна зв'язка лімітує максимальну робочу температуру вуглецевого волокна, хоча і додає матеріалу гнучкість. Але що робити, якщо хочеться використовувати жароміцні властивості вуглецевих волокон повністю? Один з варіантів вирішення - це тривимірний композитний вуглецевий матеріал. Він отриманий первісним сплетінням вуглецевих ниток в тривимірну конструкцію, яка потім просочується, наприклад, розплавленим кремнієм. При реакції кремнію з вуглецем утворюється карбід кремнію, який надає матеріалу твердість і стійкість до окислення киснем повітря при високих температурах. Отриманий матеріал крихкий, але зате витримує навантаження при температурах більше півтора тисяч градусів і використовувався наприклад в елементах конструкції космічного корабля "Буран".

Графітова фольга. Сам по собі, графіт це досить крихка речовина, але після спеціальної обробки, можна перетворити його на гнучкий матеріал, з якого можна робити всілякі термостійкі прокладки і ущільнення. Як відомо, графіт має шарувату структуру і в певних умовах, між цими шарами можна "впихнути" деяку кількість атомів металів, залишків неорганічних кислот і т.п. Якщо якийсь час нагрівати графіт наприклад з хромовою сумішшю, а потім з сірчаною кислотою, "влізші" молекули викличуть розбухання графіту і вийде так званий "терморозширений графіт". Його можна спресувати в фольгу, прокладки, шнури та інші ущільнювальні вироби. Вони не містять азбесту, тобто не є небезпечними для здоров'я, термо- і хімічно стійкі, довговічні.

Характеристику елемента карбон та інших утворених ним сполук, а також про кругообіг елемента в природі можна дізнатися з закачаної презентації.

Схожі презентації: