Карбон это углерод

это... Карбон: описание, сфера применения, особенности и отзывы

Передовые технологии на сегодняшний день регулярно вносят в нашу жизнь множество различных новинок, способных значительно упростить ее или же повысить ее качество. В особенности это касается создания новейших разработок химической промышленности, продукты которой находят свое применение практически в каждой отрасли человеческой деятельности. Одним из таких ноу-хау сейчас является материал карбон. О нем мы и поговорим максимально подробно в статье.

Определение

Карбон - это по своей сути углепластик, то есть композиционный, имеющий иного слоев материал. Проще говоря, углеродные волокна в виде полотна, оболочка которого, в свою очередь, выполнена из термореактивных, полимерных смол. Собственно, карбон - это сегодня почти все композитные материалы, несущая основа которых представлена в форме волокон углерода. Однако при этом связующими элементами могут быть разные вспомогательные составляющие.

Стоимость

Карбон- это очень дорогостоящий конечный продукт, стоимость которого определена внушительной долей ручного труда и сложным в целом техническим процессом. Чтобы понять, насколько дорог карбон, сравним его себестоимость со сталью. Так, если один килограмм стали обойдется производителю примерно в 1 доллар, то такой же вес карбона в 20 раз дороже. Снизить же себестоимость углепластика можно лишь путем внедрения полной автоматизации процесса его создания.

Сфера применения

Изначально карбон - это материал, который создавался для космических аппаратов и автомобилестроения. Однако со временем благодаря своим уникальным эксплуатационным показателям (малый удельный вес, высокая прочность) он нашел применение и в других сферах таких, как:

- Самолетостроение.

- Изготовление разнообразного спортивного инвентаря, удочек для рыбной ловли, шлемов.

- Производство медицинской техники и прочее.

Особые свойства

Изучая, что такое карбон отметим его основные позитивные качества. Изделия из этого материала можно формовать практически в любой конфигурации. А все потому, что углеродное полотно обладает очень высокой гибкостью, обеспечивающей, в свою очередь, оптимальный раскрой и резку. При этом следует обязательно пропитать готовый продукт эпоксидной смолой. Полученные таким образом изделия можно без проблем шлифовать, полировать, красить и даже наносить на них флексопечать.

Отличительные особенности

Продолжая рассматривать, что такое карбон (karbon) укажем его уникальные характеристики. Для всех видов этого углепластика общим является применение армирующего элемента - углеродных волокон, толщина которых находится в пределах 0,005-0,01 миллиметра, прекрасно работающих на растяжение, но не переносящие изгиб и кручение. Именно поэтому карбон- это материал, который эксплуатируют в виде полотна.Для дополнительного армирования очень часто используют каучук, который и придает углепластику серый оттенок.В целом же, карбон характеризуется износостойкостью, прочностью, жесткостью и малым удельным весом. Плотность его составляет от 1450 кг/м куб. до 2000 кг/м куб.

Тонкости технологии изготовления

Волокна из нитей углерода получают на воздухе в процессе термической обработки. То есть происходит окисление органических или полимерных нитей на протяжении суток при температуре 250 градусов Цельсия. Затем проводится карбонизация - нагревание полученных волокон в среде инертного газа в температурном диапазоне 800-1500 градусов для подготовки молекулярной структуры к оптимальной. Далее следует графитизация в этой же среде, но уже при температуре до 3000 градусов. Данный процесс может повториться несколько раз для повышения концентрации углерода до 99%.

Форма выпуска

Волокна карбона могут быть как короткими, резаными, так и в виде непрерывных нитей на бобинах. Но, как уже было сказано выше, карбон обладает плохой устойчивостью к изгибу, то углеродное волокно зачастую формируют в полотно,называемое Carbon Fabric. Причем получается оно в виде разнообразных плетений: елочка, рогожка и прочее. Бывает, что волокна просто перехватывают до заливки смолой довольно крупными стежками.Несущей основой чаще всего являются эпоксидные смолы, в которых послойно укладываются волокна карбона. Лист толщиной 1 миллиметр содержит в основном три-четыре таких слоя.

Достоинства

Карбон обладает целым спектром неоспоримых преимуществ, среди которых следует указать:

- Малый удельный вес. Даже алюминий тяжелее описываемого материала на 20%.

- Карбон, сочетающий в себе углерод и кевлар, лишь чуть-чуть тяжелее аналога с резиной, однако гораздо прочнее, а под воздействием ударной нагрузки лишь крошится, но не разлетается на мелкие частицы.

- Устойчив к высоким температурам. Карбон выдерживает до 2000 градусов Цельсия.- имеет хорошую теплоемкость и отлично гасит вибрацию.

- Устойчив к явлению коррозии.

- Имеет высокий предел упругости и предел прочности на разрыв.

- Обладает эстетичным внешним видом и декоративностью.

Недостатки

Вместе с тем карбон по сравнению с металлическими изделиями отличается таким негативными качествами:

- Высокой чувствительностью к точечным резким ударам.

- Сложностью реставрации при возникновении сколов, сломов и различных царапин.

- Выгоранием и выцветанием под воздействием ярких солнечных лучей. Именно поэтому все вещи из карбона специально покрывают лаком или же эмалью.

- Достаточно длительным производством изделий, требующим значительных затрат времени.

- Проблемами с утилизацией и повторным использованием. В зонах непосредственного контакта с металлом начинается его коррозия, поэтому в данных точках закрепляют специальные вставки из стекловолокна.

Мнение пользователей

В заключение отметим отзывы людей об описываемом в статье продукте промышленности. Итак, что такое карбон? Материал этот, как утверждают многие пользователи, очень хорош благодаря своей прочности, но при этом легкости. В особенности это оценили рыбаки, которые уже давно пользуются удочками, в основе многих из которых лежит именно карбон. Само собой, помимо этого, такие удочки еще хороши и тем, что они обладают большой долговечностью, ведь они еще характеризуются и повышенной износостойкостью.

Углепластик - это карбон - где используется

Май 24, 2019 Карбон автором Maxim

Карбон получают из углеродного волокна и используют, как армирующий наполнитель для производства различных высокопрочных композитных материалов.

Самое удивительное, что карбон или углепластик, делают из жидкости. Точнее, из жидкого полимера – полиакрилонитрила.

Изготовление карбонового волокна

Цех по изготовлению углеволокна — карбона

Для этого, из полиакрилонитрила, сначала получают полиакрилонитрильное волокно, которое получают, путем продавливания исходного полимера – полиакрилонитрила, через специальную фильеру с сотнями тончайших отверстий, диаметром около 50 микрон.

В горячей воде под давлением через крохотные отверстия фильеры, непрерывным потоком, «выходят» тонкие белые ниточки. Они и являются исходным сырьем для дальнейшего изготовления карбона.

Получение карбоновых тканей

После прохождения через несколько ванн со специальными растворами, полученные полиакрилонитриловые волокна становятся в несколько раз тоньше, а их молекулы выстраиваются так, что волокна становятся еще прочнее.

Виды углеродного волокна (ткани) — карбона

В дальнейшем полиакрилонитрильное волокно проходит многоэтапный процесс обработки, который изменяет внутреннюю структуру вещества на молекулярном уровне.

Это высокотемпературная обработка, окисление и «карбонизация» (насыщение углеродом) в инертной среде, в результате чего получается конечный продукт – материал карбон или углеродное волокно.

Саржевое переплетение углеродного полотна

Наиболее важное свойство карбона или углеволокна – это уникальное соотношение легкости а и исключительной прочности. Для придания большей прочности, карбоновые волокна переплетают между собой особым образом.

Используется разные углы направления плетения. Затем из готовой ткани изготавливают специальные высокопрочные карбоновые ткани. Они способны выдерживать неслыханные механические нагрузки.

Использование декоративных свойств карбона в автотюнинге

Наружное автомобильное зеркало — карбон под лаком

Благодаря выдающимся технико-эксплуатационным характеристикам и декоративным свойствам, карбон стал широко использоваться в автотюнинге, для отделки кузовных элементов автомобилей.

И если раньше, натуральный карбон можно было увидеть только на дорогих спортивных или представительского класса автомобилях, то сейчас уже продаются машины, в которых покрытие карбоном входит в базовую комплектацию.

Виды цветных карбоновых тканей

При этом, при покупке можно выбрать нужный цвет карбона или заказать понравившийся вид карбона, например, матовый карбон или карбон под лаком.

Заламинированные карбоновым полотном детали автомобиля

Эти детали ламинированы натуральным карбоном в нашей студии дизайна. Также можно изменить цвет в процессе ламинации, применить другой вид плетения нитей, другую ткань. Можно импровизировать на любой вкус.

Также существует возможность изготовить новые детали, такие как бампер, крылья и др. полностью из углеволокна. Альтернативой карбону будет аквапринт под карбон — также неплохой вариант и по бюджету — более доступный.

Другие метариалы на нашем сайте

Позвоните сейчас!

+7 (913) 674-48-70

Возможно вам будет интересно:

Карбоновые удилища. Вся правда о карбоне

В последнее время, как только заходит речь об удилищах, сразу же вспоминают про различные аббревиатуры, которые характеризуют карбон, из которого сделаны удилища. 1К, 2К, 3К. «Это удилище из высокотехнологичного карбона», «Высококачественный карбон, делает удилище..», «Карбон, из которого сделан бланк, отвечает самым высоким требованиям» и так далее, и так далее. А что же скрывается за всей этой маркетинговой терминологией?

Что такое карбон?

Карбон — углерод, представляющий собой полимерный композиционные материал из переплетенных нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных смол. Отличается высоко прочностью и малой массой. Зачастую гораздо прочнее стали, но в разы легче. По удельным характеристикам превосходит многие высокопрочные стали.

Но отойдем в сторону от точных определений. Самое главное, что вы должны понимать в карбоне, что его на самом деле существует два вида: чистое углеродное волокно (оно же carbon fiber) и углепластик (полимер, усиленный углеродным волокном — carbon fiber reinforced polymer). Оба этих материала в быту называют карбоном, что, в конечном итоге, привело к тому, что понятия стали путать между собой.

Практически весь карбон, из которого делаются удилища получается из полиакрилонитрила (сокращенно ПАН) при помощи окислительного пиролиза и последующей обработки в инертном газе. Нити углерода получаются очень тонкие (ориентировочно 0,005-0,10мм в диаметре), сломать их очень просто, а вот порвать очень сложно. Из этих нитей и сплетаются ткани, из которых затем делаются бланки для удилищ.

Почему карбон так удобен для производстве удилищ?

Использование карбона позволяет достигнуть высокой прочности удилища, жесткости, при очень малом весе. Дело в том, что карбон является материалом, механические свойства которого зависят от направления волокон. Комбинируя их в различных направлениях, можно добиваться оптимальных характеристик различных изделий, будь то удилища или любое другой изделие. То есть, характеристики бланка зависят напрямую от того плетения, на которое пал выбор разработчиков удилища. Карбон позволяет добиться практически любой формы изделия, именно поэтому у инженеров куда больше возможностей и свободы в создании «идеального» удилища.

Из какого карбона лучше всего покупать удилища?

Это очень сложный вопрос. Определить на глазок что за карбон перед вами очень тяжело. Производители могут написать всякое. Единственный совет, который точно можно дать — это избегать различных дешевых «трехкопеечных» бланков непонятного производства. Остается только гадать откуда производитель берет этот материал. А самое главное, большинство рецептов карбонового волокна являются частной собственностью (запатентованными) и просто так ни одна фирма не расскажет вам состав.

Точно так же не стоит доверять различным рекламным лозунгам, что такая-то компания использует «особенный», «исключительный», «высокотехнологичный» и так далее карбон. Правда состоит в том, что две трети мирового рынка по производству карбона принадлежат трем японским фирмам — Toray (30%), Mitsubishi (18%), Toho (18%). За ними расположились такие фирмы, как венгерская Zoltek (17%), немецкая Hexcel (7%), американская Cytek (3%), на всех остальных приходится в общей сложности еще 6%.

Всего в год производится порядка 43,5 тысяч тонн карбона. Из них 41% — потребляет авиация, космическая и военные промышленности. 17% — спорт, 12% — строительство 12% — различные нужды, по 5%-6% автомобилестроение, гражданская инженерия и так далее. Не будем тонуть в цифрах.

Важно, что из всего оборота на спорт, рыбалка забирает не более 2-3%. Теперь вдумайтесь — если вы владеете инфраструктурой, позволяющей исследовать новые виды карбоновых волокон, чем вы займетесь — производством деталей для космической промышленности или для удилищ? Будете работать с 41% рынка или сосредоточитесь на двух процентах даже не от общего рынка, а от 1/5 этого рынка? Ответ очевиден, поэтому искренность заявлений производителей рыболовных аксессуаров касательно «уникального карбона» вызывает большие подозрения. Мы не беремся утверждать, правда это или нет. Мы просто даем пищу для размышлений.

Характеристики карбона

При получении карбона из поликарилонитрила, под микроскопом полученная нить будет напоминать ствол дерева. Плотный в центре, с шероховатой корой снаружи. Если продолжать очищать нить от «коры», то получится нить меньшего диаметра, но большей плотности. Соответственно на одну и ту же единицу площади поместится большее количество таких нитей, что позволит добиться не меньшей жесткости, но гораздо уменьшить вес. Производство таких тонких волокон сопряжено с большими издержками, потому что волокно получается хрупким и использовать его необходимо с большой осторожностью. Отсюда и высокая стоимость такого карбона. Однако очень эластичный карбон является очень хрупким материалом. Поэтому инженером постоянно приходится ломать голову, чтобы найти оптимальный баланс между прочностью и эластичностью. Это достигается уже при помощи рецепта карбонового волокна, в котором комбинируют несколько слоев карбона с различными характеристиками. Каждая такая комбинация и есть главная тайна и секрет любого удилища, да и просто изделия.

Теперь стоит поговорить о самых наших любимых характеристиках — 1К, 2К, 3К, которыми часто маркируют карбон. Подобная маркировка относится к плетению углеродного волокна. Нити собирают в полоски и эти полоски переплетают друг с другом. 1К означает, что в полосе 1000 нитей, 2К — 2000 нитей, а 3К — 3000 нитей. На самом деле эта характеристика никаким образом не является признаком тех или иных свойств самого волокна. Важно не количество нитей в полосе, а то, каким образом плетутся эти полосы, и из какого состава-рецепта сделаны волокна. А это уже зависит от производителя.

Вернемся к мировому рыболовному рынку!

Здесь все сурово. Подавляющее большинство удилищ, которые сегодня продаются в магазинах изготовлены в Азии, на фабриках, каждая из которых обслуживает сразу несколько брендов. Современные бренды, причем не только в рыболовной индустрии, в большинстве своем являются самыми настоящими маркетинговыми и инженерными центрами, но не производителями. Они заключает контракты с так называемыми Original Equipment Manufactures, если говорить по-русски, посредниками, отсылают им дизайн и желаемые характеристики, которые они хотят получить на выходе, а уже OEM несет ответственность за производство. Такие фабрики отправляют готовые удилища, на которых стоит Made in China, или же могут отправить удилище, которое будет еще доведено до ума. Во втором случае вы можете зачастую видеть заветные Made in UK, Made in Germany и так далее.

Вполне распространенная практика, когда сразу несколько компаний работает с одной и той же фабрикой. Но также и бывает масса случаев, когда один бренд работает с несколькими OEM, когда хочет производить несколько видов удилищ.

Но это вовсе не означает, что вас обманывают. Как раз нет. Ведущие бренды отдают процесс производства карбоновых удилищ в руки профессионалов, которые занимаются только плетением карбоновых волокон и изделиями из карбона. Конечно, это все стоит денег, и увеличивает цену исходного продукта. Теперь представим ситуацию, когда вы покупаете вроде бы карбоновое удилище, которое стоит ну совсем дешево.

Сразу можете убрать отсюда работы по инженерным расчетам и дизайнеров. Вам просто продают готовую, стандартную заготовку, уберите затраты на маркетинговые исследования и сертификацию производства (самый главный признак отсутствия контроля качества) и так далее.

Репутационные риски заставляют известные бренды подходит крайне ответственно к вопросу качества, тогда как никому неизвестные производители подобных рисков вообще не имеют. Ну закрыл ты эту фирму, открыл завтра новую. Вот и все дела. Вы никогда не узнаете какие конкретно материалы были использованы, какая смола, что ожидать от удилища. Если вы считаете данный риск оправданным низкой ценой, конечно, покупайте. Но разве много у нас людей осознают эти риски? Надеемся, что после прочтения данной статьи, их число хотя бы немножко увеличится.

Полное или частичное копирование без согласования с редакцией портала запрещено

Что такое карбон, и где он используется

Карбон – это композитный материал, то есть переплетенные между собой под определенным углом нити углерода. С помощью эпоксидных смол полученные слои ткани соединяются между собой.

Нити углерода составляют основу карбона. Они очень устойчивы к растяжению волокнами на одном уровне со сталью. Это означает, что их трудно порвать или растянуть. Однако при сжатии они могут поломаться. Вот почему их переплетают между собой под определенным углом и еще добавляют в них резиновые нити.

Потом определенное количество таких слоев ткани соединяются друг с другом эпоксидными смолами. Так в результате и получается карбон.

Этот материал, например, можно увидеть на тюнингованных авто в элементах кузова. Таких, как обвес, капот, спойлер. Используется он и для внутреннего дизайна салона автомобиля. Сфера использования карбона постоянно расширяется. И сейчас этот материал применяется, например, для изготовления спецформы и просто одежды.

Достоинство карбона в том, что он прочный и легкий. Он легче стали и даже алюминия. А по прочности не уступит металлам. Вот почему он нашел применение и в деталях гоночных автомобилей.

Для объективной картины при описании этого композитного материала необходимо сказать о том, что карбон выцветает под действием солнечных лучей. Да так, что может поменять окрас. Появляются неожиданные оттенки.

Кроме того, если деталь из карбона поломается, то отремонтировать ее невозможно. Ее можно только заменить. Явным минусом карбона следует считать и его стоимость. Не каждый автомобилист считает возможным применить такой материал при тюнинге. Однако, как показывает практика, те автомобилисты, которым этот композитный материал нравится, используют его и при внешнем, и при внутреннем тюнинге.

Причем, чего только ни делают из карбона. Это капоты, бамперы, спойлеры, обвесы, зеркала, крышу, днище. Если взять внутренний тюнинг, то нередко владельцы четырехколесной собственности меняют ручку переключателя КПП, элементы панели, вставки на руле, сиденье. Такие перемены придадут автомобилю ни в чем неповторимый стиль.

Карбон настолько хорош, что элементы из него стали использовать в дизайне салона автомобиля даже элитные марки. Карбоновые тормозные диски стали непременным атрибутом гоночных, спортивных автомобилей. Часто встречаются карбоновые крышки на двигатель, поскольку этот композитный материал отлично поглощает звук. Ко всему углепластик снижают вес авто.

Семь обличий углерода

Важная область практического применения новейших открытий в области физики, химии и даже астрономии — создание и исследование новых материалов с необычными, подчас уникальными свойствами. О том, в каких направлениях ведутся эти работы и чего уже сумели добиться ученые, мы расскажем в серии статей, созданных в партнерстве с Уральским федеральным университетом. Первый наш текст посвящен необычным материалам, которые можно получить из самого обычного вещества — углерода.

Если спросить у химика, какой элемент самый важный, можно получить массу разных ответов. Кто-то скажет про водород — самый распространенный элемент во Вселенной, кто-то про кислород — самый распространенный элемент в земной коре. Но чаще всего вы услышите ответ «углерод» — именно он лежит в основе всех органических веществ, от ДНК и белков до спиртов и углеводородов.

Наша статья посвящена многообразным обличьям этого элемента: оказывается, только из его атомов можно построить десятки различных материалов — от графита до алмаза, от карбина до фуллеренов и нанотрубок. Хотя все они состоят из абсолютно одинаковых атомов углерода, их свойства радикально отличаются — а главную роль в этом играет расположение атомов в материале.

Графит

Чаще всего в природе чистый углерод можно встретить в форме графита — мягкого черного материала, легко расслаивающегося и словно скользкого на ощупь. Многие могут вспомнить, что из графита делаются грифели карандашей — но это не всегда верно. Часто грифель делают из композита графитовой крошки и клея, но встречаются и полностью графитовые карандаши. Интересно, но на карандаши уходит больше одной двадцатой всей мировой добычи естественного графита.

Чем необычен графит? В первую очередь, он хорошо проводит электрический ток — хотя сам углерод и не похож на другие металлы. Если взять пластинку графита, то окажется, что вдоль ее плоскости проводимость примерно в сто раз больше, чем в поперечном направлении. Это напрямую связано с тем, как организованы атомы углерода в материале.

Если посмотреть на структуру графита, то мы увидим, что она состоит из отдельных слоев толщиной в один атом. Каждый из слоев — сетка из шестиугольников, напоминающая собой соты. Атомы углерода внутри слоя связаны ковалентными химическими связями. Более того, часть электронов, обеспечивающих химическую связь, «размазана» по всей плоскости. Легкость их перемещения и определяет высокую проводимость графита вдоль плоскости углеродных чешуек.

Отдельные слои соединяются между собой благодаря ван-дер-ваальсовым силам — они гораздо слабее, чем обычная химическая связь, но достаточны для того, чтобы кристалл графита не расслаивался самопроизвольно. Такое несоответствие приводит к тому, что электронам гораздо сложнее перемещаться перпендикулярно плоскостям — электрическое сопротивление возрастает в 100 раз.

Благодаря своей электропроводности, а также возможности встраивать атомы других элементов между слоями, графит применяется в качестве анодов литий-ионных аккумуляторов и других источников тока. Электроды из графита необходимы для производства металлического алюминия — и даже в троллейбусах используются графитовые скользящие контакты токосъемников.

Кроме того, графит — диамагнетик, причем обладающий одной из самых высоких восприимчивостей на единицу массы. Это означает, что если поместить кусочек графита в магнитное поле, то он всячески будет пытаться вытолкнуть это поле из себя — вплоть до того, что графит может левитировать над достаточно сильным магнитом.

И последнее важное свойство графита — невероятная тугоплавкость. Самым тугоплавким веществом на сегодняшний день считается один из карбидов гафния с температурой плавления около 4000 градусов Цельсия. Однако если попытаться расплавить графит, то при давлениях около ста атмосфер он сохранит твердость вплоть до 4800 градусов Цельсия (при атмосферном давлении графит сублимирует — испаряется, минуя жидкую фазу). Благодаря этому материалы на основе графита используют, например, в корпусах ракетных сопел.

Алмаз

Многие материалы под давлением начинают менять свою атомарную структуру — происходит фазовый переход. Графит в этом смысле ничем не отличается от других материалов. При давлениях в сто тысяч атмосфер и температуре в 1–2 тысячи градусов Цельсия слои углерода начинают сближаться между собой, между ними возникают химические связи, а когда-то гладкие плоскости становятся гофрированными. Образуется алмаз, одна из самых красивых форм углерода.

Свойства алмаза радикально отличаются от свойств графита — это твердый прозрачный материал. Его чрезвычайно сложно поцарапать (обладатель 10-ки по шкале твердости Мооса, это максимум твердости). При этом электропроводность алмаза и графита отличается в квинтиллион раз (это число с 18 нулями).

Алмаз в горной породе

Wikimedia Commons

Этим определяется применение алмазов: большая часть добываемых и получаемых искусственно алмазов используется в металлообработке и других отраслях промышленности. Например, широко распространены точильные диски и режущие инструменты с алмазным порошком или напылением. Алмазные напыления используются даже в хирургии — для скальпелей. Об использовании этих камней в ювелирной промышленности хорошо известно всем.

Потрясающая твердость находит применение и в научных исследованиях — именно с помощью высококачественных алмазов в лабораториях изучают материалы при давлениях в миллионы атмосфер. Подробнее об этом можно прочитать в нашем материале «Путешествие к центру Земли».

Графен

Вместо того чтобы сжимать и нагревать графит, мы, следуя за Андреем Геймом и Константином Новоселовым, приклеим к кристаллу графита кусочек скотча. Затем отклеим его — на скотче останется тонкий слой графита. Повторим эту операцию еще раз — приложим скотч к тонкому слою и снова отклеим. Слой станет еще тоньше. Повторив процедуру еще несколько раз, мы получим графен — материал, за который вышеупомянутые британские физики получили Нобелевскую премию в 2010 году.

Графен представляет собой плоский монослой из атомов углерода, полностью идентичный атомарным слоям графита. Его популярность связана с необычным поведением электронов в нем. Они двигаются так, словно бы вовсе не обладают массой. В действительности, конечно, масса электронов остается все той же, что и в любом веществе. Во всем «виноваты» атомы углерода графенового каркаса, притягивающие заряженные частицы и образующие особенное периодическое поле.

Устройство на основе графена. На заднем плане фотографии — золотые контакты, над ними находится графен, выше — тонкий слой полиметилметакрилата

Engineering at Cambridge / flickr.com

Следствием такого поведения стала большая подвижность электронов — они перемещаются в графене гораздо быстрее, чем в кремнии. По этой причине многие ученые надеются, что основой электроники будущего станет именно графен.

Интересно, что у графена есть углеродные собратья — пентаграфен и фаграфен. Первый из них состоит из немного искаженных пятиугольных секций и, в отличие от графена, плохо проводит электрический ток. Фаграфен состоит из пяти-, шести- и семиугольных секций. Если свойства графена одинаковы во всех направлениях, то фаграфен будет обладать выраженной анизотропией свойств. Оба этих материала были предсказаны теоретически, но в реальности пока не существуют.

Обломок кремниевого монокристалла (на переднем плане) на вертикальном массиве углеродных нанотрубок

zeiss.com

Углеродные нанотрубки

Представьте себе, что вы свернули небольшой кусочек графенового листа в трубку и склеили ее края. Получилась полая конструкция, состоящая из тех же самых шестиугольников атомов углерода, что и графен и графит, — углеродная нанотрубка. Этот материал во многом родственен графену — он обладает высокой механической прочностью (когда-то из углеродных нанотрубок предлагали строить лифт в космос), высокой подвижностью электронов.

Однако есть одна необычная особенность. Графеновый лист можно скручивать параллельно воображаемому краю (стороне одного из шестиугольников), а можно и под углом. Оказывается, от того, как мы скрутим углеродную нанотрубку, будут очень сильно зависеть ее электронные свойства, а именно: будет она больше похожа на полупроводник с запрещенной зоной или на металл.

Многослойная углеродная нанотрубка

Wikimedia commons

Когда углеродные нанотрубки наблюдались впервые, достоверно неизвестно. В 1950–1980-х года разные группы исследователей, занимавшихся катализом реакций с участием углеводородов (например, пиролиза метана), обращали внимание на продолговатые структуры в саже, покрывавшей катализатор. Сейчас, чтобы синтезировать углеродные нанотрубки только конкретного вида (конкретной хиральности), химики предлагают использовать специальные затравки. Это небольшие молекулы в виде колец, состоящих, в свою очередь, из шестиугольных бензольных колец. Про работы по их синтезу можно почитать, например, здесь.

Как и графен, углеродные нанотрубки могут найти большое применение в микроэлектронике. Уже сейчас созданы первые транзисторы на нанотрубках, превосходящие по своим свойствам традиционные кремниевые приборы. Кроме того, нанотрубки легли в основу транзистора с самым маленьким затвором в мире.

Карбин

Говоря о вытянутых структурах из атомов углерода, нельзя не упомянуть карбины. Это линейные цепочки, которые по оценкам теоретиков могут оказаться самым прочным материалом из возможных (речь идет об удельной прочности). К примеру, модуль Юнга для карбина оценивается в 10 гиганьютон на килограмм. У стали этот показатель в 400 раз меньше, у графена — по меньшей мере в два раза меньше.

Тонкая нить, тянущаяся к железной частице внизу — карбин

Wikimedia Commons

Карбины бывают двух типов, в зависимости от того, как устроены связи между атомами углерода. Если все связи в цепочке одинаковые, то речь идет о кумуленах, если же связи чередуются (одинарная-тройная-одинарная-тройная и так далее), то о полиинах. Физики показали, что нить карбина можно «переключать» между этими двумя видами путем деформации — при растяжении кумулен превращается в полиин. Интересно, что это радикально меняет электрические свойства карбина. Если полиин проводит электрический ток, то кумулен— диэлектрик.

Главная сложность в изучении карбинов — их очень сложно синтезировать. Это химически активные вещества, к тому же легко окисляющиеся. На сегодняшний день получены цепочки длиной лишь в шесть тысяч атомов. Чтобы достигнуть этого, химикам пришлось растить карбин внутри углеродной нанотрубки. Кроме того, синтез карбина поможет побить рекорд размера затвора в транзисторе — его удастся уменьшить до одного атома.

Фуллерены

Хотя шестиугольник — одна из самых стабильных конфигураций, которые могут образовывать атомы углерода, есть целый класс компактных объектов, где встречается правильный пятиугольник из углерода. Эти объекты называются фуллеренами.

В 1985 году Гарольд Крото, Роберт Кёрл и Ричард Смолли исследовали пары углерода и то, в какие фрагменты слипаются атомы углерода при охлаждении. Оказалось, что в газовой фазе есть два класса объектов. Первый — кластеры, состоящие из 2–25 атомов: цепочки, кольца и другие простые структуры. Второй — кластеры, состоящие из 40–150 атомов, не наблюдавшиеся ранее. За следующие пять лет химикам удалось доказать, что этот второй класс представляет собой полые каркасы из атомов углерода, наиболее устойчивый из которых состоит из 60 атомов и повторяет по форме футбольный мяч. C₆₀, или бакминстерфуллерен, состоял из двадцати шестиугольных секций и 12 пятиугольных, скрепленных между собой в сферу.

Открытие фуллеренов вызвало большой интерес химиков. Впоследствии был синтезирован необычный класс эндофуллеренов  — фуллеренов, в полости которых находился какой-либо посторонний атом или небольшая молекула. К примеру, всего лишь год назад в фуллерен впервые поместили молекулу плавиковой кислоты, что позволило очень точно определить ее электронные свойства. 

Фуллериты — кристаллы фуллеренов

Wikimedia Commons

В 1991 году оказалось, что фуллериды — кристаллы фуллеренов, в которых часть полостей между соседними многогранниками занимают металлы, — это молекулярные сверхпроводники с рекордно высокой температурой перехода для этого класса, а именно 18 кельвин (для K₃C₆₀). Позднее нашлись фуллериды и с еще большей температурой перехода — 33 кельвина,  Cs₂RbC₆₀. Такие свойства оказались напрямую связаны с электронной структурой вещества.

Q-углерод

Среди недавно открытых форм углерода можно отметить так называемый Q-углерод. Впервые он был синтезирован американскими материаловедами из Университета Северной Каролины в 2015 году. Ученые облучали аморфный углерод с помощью мощного лазера, локально разогревая материал до 4000 градусов Цельсия. В результате примерно четверть всех атомов углерода в веществе принимала sp²-гибридизацию, то есть то же электронное состояние, что и в графите. Остальные атомы Q-углерода сохраняли гибридизацию, характерную для алмаза.

Q-углерод

ncsu.edu

В отличие от алмаза, графита и других форм углерода, Q-углерод оказался ферромагнетиком, таким как магнетит или железо. При этом его температура Кюри составила около 220 градусов Цельсия — только при таком нагреве материал терял свои магнитные свойства. А при допировании Q-углерода бором физики получили еще один углеродный сверхпроводник, с температурой перехода уже около 58 кельвинов.

***

Перечисленное — не все известные формы углерода. Более того, прямо сейчас теоретики и экспериментаторы создают и изучают новые углеродные материалы. В частности, такие работы ведутся в Уральском федеральном университете. Мы обратились к Анатолию Федоровичу Зацепину, доценту и главному научному сотруднику Физико-технологического института УрФУ, чтобы выяснить, как можно предсказывать свойства еще не синтезированных материалов и создавать новые формы углерода.

Анатолий Зацепин работает над одним из шести прорывных научных проектов УрФУ «Разработка фундаментальных основ новых функциональных материалов на базе низкоразмерных модификаций углерода». Работа осуществляется с академическими и индустриальными партнерами России и мира.

Проект реализует Физико-технологический институт УрФУ — стратегическая академическая единица (САЕ) университета. От успеха исследователей зависят позиции университета в российских и международных рейтингах, прежде всего в предметных.

N + 1: Свойства углеродных наноматериалов очень сильно зависят от структуры и варьируются в широких пределах. Можно ли как-то заранее предсказать свойства материала по его структуре?

Анатолий Зацепин: Предсказать можно, и мы этим занимаемся. Существуют методы компьютерного моделирования, с помощью которых осуществляются расчеты из первых принципов (ab initio) — мы закладываем определенную структуру, моделируем и берем все фундаментальные характеристики атомов, из которых состоит эта структура. В результате получаются те свойства, которыми может обладать материал или новое вещество, которое мы моделируем. В частности, что касается углерода, мы сумели смоделировать новые модификации, не известные природе. Их можно создать искусственно.

В частности, наша лаборатория на физтехе УрФУ сейчас занимается разработкой, синтезом и исследованиями свойств новой разновидности углерода. Ее можно назвать так: двумерно-упорядоченный линейно-цепочный углерод. Такое длинное название связано с тем, что этот материал представляет из себя так называемую 2D-структуру. Это пленки, составленные из отдельных цепей углерода, причем в пределах каждой цепи атомы углерода находятся в одной и той же «химической форме» — sp¹-гибридизация. Это придает совершенно необычные свойства материалу, в цепочках sp¹-углерода прочность превышает прочность алмаза и других углеродных модификаций.

Когда мы формируем из этих цепочек пленки, получается новый материал, обладающий свойствами, присущими цепочкам углерода, плюс к тому совокупность этих упорядоченных цепочек формирует двумерную структуру или сверхрешетку на специальной подложке. Такой материал обладает большими перспективами не только благодаря механическим свойствам. Самое главное, что углеродные цепочки в определенной конфигурации можно замкнуть в кольцо, при этом возникают очень интересные свойства, такие как сверхпроводимость, а магнитные свойства таких материалов могут быть лучше, чем у существующих ферромагнетиков.

Задача остается в том, чтобы их реально создать. Наше моделирование показывает путь, куда двигаться.

Как сильно отличаются реальные и предсказанные свойства материалов?

Погрешность всегда существует, но дело в том, что расчеты и моделирование из первых принципов используют фундаментальные характеристики отдельных атомов — квантовые свойства. И когда на таком микро- и наноуровне из этих квантовых атомов формируются структуры, то ошибки связаны с существующим ограничением теории и тех моделей, которые существуют. Например, известно, что уравнение Шредингера точно можно решить только для атома водорода, а для более тяжелых атомов надо использовать определенные приближения, если мы говорим о твердых телах или более сложных системах.

С другой стороны — ошибки могут возникать за счет компьютерных вычислений. При всем этом грубые ошибки исключены, а точности вполне достаточно, чтоб предсказать то или иное свойство или эффект, которые будут присущ данному материалу.

Много ли материалов можно предсказать такими способами?

Если говорить об углеродных материалах, то тут много вариаций, и я уверен, что многое еще не исследовано и не открыто. В УрФУ есть все для исследования новых углеродных материалов, и впереди предстоит большая работа.

Мы занимаемся и другими объектами, к примеру, кремниевыми материалами для микроэлектроники. Кремний и углерод — это, кстати, аналоги, они находятся в одной группе в таблице Менделеева.

Владимир Королёв

Общий органический углерод - Total organic carbon

2011 г. Океанские частицы органического углерода, полученные из MODIS-aqua

Общий органический углерод ( TOC ) - это количество углерода, содержащегося в органическом соединении, которое часто используется в качестве неспецифического показателя качества воды или чистоты оборудования для производства фармацевтической продукции. ТОС может также относиться к количеству органического углерода в почве или в геологической формации , особенно в материнской породе для нефтяных месторождений ; 2% - это примерный минимум. Для морских поверхностных отложений среднее содержание ТОС составляет 0,5% в глубоководных районах океана и 2% вдоль восточных окраин.

Типичный анализ общего углерода (TC) измеряет как общий присутствующий органический углерод (TOC), так и дополнительный общий неорганический углерод (TIC), последний представляет собой количество неорганического углерода, такого как углерод в карбонатных минералах. Вычитание неорганического углерода из общего количества углерода дает TOC. Другой распространенный вариант анализа TOC включает сначала удаление части TIC, а затем измерение оставшегося углерода. Этот метод включает продувку подкисленной пробы воздухом или азотом, не содержащим углерода, перед измерением, и поэтому более точно его называют неочищаемым органическим углеродом (NPOC).

Измерение

Взаимосвязь категорий содержания углерода

Поскольку все анализаторы ТОС фактически измеряют только общий углерод, анализ ТОС всегда требует некоторого учета неорганического углерода, который всегда присутствует. Один метод анализа включает двухэтапный процесс, обычно называемый TC-IC. Он измеряет количество неорганического углерода (IC), выделившегося из подкисленной аликвоты образца, а также количество общего углерода (TC), присутствующего в образце. TOC рассчитывается путем вычитания значения IC из TC образца. В другом варианте используется подкисление пробы для выделения диоксида углерода и измерение его как неорганического углерода (IC), затем окисление и измерение оставшегося неочищаемого органического углерода (NPOC). Это называется анализом TIC-NPOC. Более распространенный метод непосредственно измеряет TOC в образце путем повторного подкисления образца до значения pH, равного двум или менее, для выделения газа IC, но в данном случае в воздух, а не для измерения. Оставшийся неизвлекаемый газ CO ₂ (NPOC), содержащийся в жидкой аликвоте, затем окисляется с выделением газов. Затем эти газы отправляются в детектор для измерения.

Независимо от того, проводится ли анализ ТОС методами TC-IC или NPOC, его можно разбить на три основных этапа:

1. Подкисление
2. Окисление
3. Обнаружение и количественная оценка

Первый этап - это подкисление пробы для удаления газов IC и POC. Выброс этих газов в детектор для измерения или в воздух зависит от того, какой тип анализа представляет интерес: первый для TC-IC, а второй для TOC (NPOC).

Подкисление

Добавление кислоты и барботирования инертного газа позволяет преобразовать все бикарбонатные и карбонат-ионы в диоксид углерода, и этот продукт IC удаляется вместе с любым присутствующим POC.

Окисление

Вторая стадия - окисление углерода в оставшейся пробе в виде диоксида углерода (CO ₂ ) и других газов. Современные анализаторы ТОС выполняют эту стадию окисления с помощью нескольких процессов:

1. Высокотемпературное горение
2. Высокотемпературное каталитическое окисление (HTCO)
3. Фото-окисления в одиночку
4. Термохимическое окисление
5. Фотохимическое окисление
6. Электролитическое окисление

Горение при высокой температуре

Подготовленные образцы сжигают при 1200 ° C в богатой кислородом атмосфере. Весь присутствующий углерод преобразуется в двуокись углерода, проходит через трубы скруббера для удаления таких помех, как газообразный хлор и водяной пар , а двуокись углерода измеряется либо путем абсорбции твердым основанием, которое затем взвешивается, либо с помощью инфракрасного детектора . Большинство современных анализаторов используют недисперсный инфракрасный (NDIR) для обнаружения углекислого газа. По сравнению с обычным высокотемпературным каталитическим окислением большим преимуществом метода сжигания является высокая окислительная способность, так что катализаторы, способствующие окислению, являются излишними.

Каталитическое окисление при высоких температурах

Трубка сгорания HTCO, заполненная платиновым катализатором

При ручном или автоматическом процессе образец вводится на платиновый катализатор при 680 ° C в богатой кислородом атмосфере. Концентрация образующегося углекислого газа измеряется недисперсионным инфракрасным детектором (NDIR).

Окисление образца завершается после впрыска в печь, превращая окисляемый материал в образце в газообразную форму . Углеродный свободной газ - носитель переносит СО ₂ , через влагу ловушку и галоидные скрубберы для удаления водяного пара и галогенидов из газового потока до того , как достигает детектор. Эти вещества могут помешать обнаружению газа CO ₂ . Метод HTCO может быть полезен в тех применениях, где присутствуют трудноокисляемые соединения или высокомолекулярные органические вещества, поскольку он обеспечивает почти полное окисление органических веществ, включая твердые частицы и частицы, достаточно мелкие, чтобы их можно было ввести в печь. Основным недостатком анализа HTCO является его нестабильная базовая линия в результате постепенного накопления нелетучих остатков в трубе сгорания. Эти остатки непрерывно изменяют фоновые уровни TOC, что требует постоянной коррекции фона. Поскольку водные образцы вводятся непосредственно в очень горячую, обычно кварцевую печь, можно обрабатывать только небольшие аликвоты (менее 2 миллилитров и обычно менее 400 микролитров) образца, что делает методы менее чувствительными, чем методы химического окисления, способные переваривать в 10 раз больше образца. Кроме того, солесодержащие образцы не сгорают, и поэтому постепенно внутри трубы сгорания образуется осадок, в конечном итоге забивающий катализатор, что приводит к плохой форме пиков и ухудшению точности или точности, если не соблюдаются соответствующие процедуры обслуживания. Катализатор следует регенерировать или заменять по мере необходимости. Чтобы избежать этой проблемы, обрабатывающая промышленность разработала несколько концепций, таких как разделение матриц, керамические реакторы, лучший контроль процесса или методы без катализаторов.

Фотоокисление (ультрафиолет)

В этой схеме окисления только ультрафиолетовый свет окисляет углерод в образце с образованием CO ₂ . Метод УФ-окисления представляет собой наиболее надежный и не требующий больших затрат метод анализа ТОС в сверхчистой воде.

Окисление ультрафиолетом / персульфатом

Подобно методу фотоокисления, УФ-свет является окислителем, но окислительная способность реакции увеличивается за счет добавления химического окислителя, который обычно представляет собой соединение персульфата . Механизмы реакций следующие:

Образованные свободнорадикальные окислители:

S2О82-⟶часv2 SО4-∙{\ displaystyle \ mathrm {S} _ {2} \ mathrm {O} _ {8} ^ {2 -} {\ underset {hv} {\ longrightarrow}} 2 \ \ mathrm {SO} _ {4} ^ { - \ bullet}}

ЧАС2О⟶часvЧАС++ОЧАС∙{\ displaystyle \ mathrm {H} _ {2} \ mathrm {O} {\ underset {hv} {\ longrightarrow}} \ mathrm {H} ^ {+} + \ mathrm {OH} ^ {\ bullet}}

SО4-∙+ЧАС2О⟶SО42-+ОЧАС∙+ЧАС+{\ displaystyle \ mathrm {SO} _ {4} ^ {- \ bullet} + \ mathrm {H} _ {2} \ mathrm {O} \ longrightarrow \ mathrm {SO} _ {4} ^ {2 -} + \ mathrm {OH} ^ {\ bullet} + \ mathrm {H} ^ {+}}

Возбуждение органики:

р⟶часvр*{\ displaystyle \ mathrm {R} {\ underset {hv} {\ longrightarrow}} \ mathrm {R} ^ {*}}

Окисление органических веществ:

р*+SО4-∙+ОЧАС∙⟶пCО2+…{\ displaystyle \ mathrm {R} ^ {*} + \ mathrm {SO} _ {4} ^ {- \ bullet} + \ mathrm {OH} ^ {\ bullet} \ longrightarrow n \ mathrm {CO} _ {2 } + \ точки}

Метод УФ – химического окисления предлагает относительно низкие эксплуатационные расходы и высокую чувствительность для широкого спектра применений. Однако у этого метода есть ограничения по окислению. Ограничения включают неточности, связанные с добавлением каких-либо посторонних веществ в анализируемый материал и образцы с большим количеством твердых частиц. Выполнение анализа «пустой системы», который заключается в анализе с последующим вычитанием количества углерода, вносимого химической добавкой, неточности уменьшаются. Однако анализ уровней ниже 200 частей на миллиард TOC все еще затруднен.

Термохимическое окисление персульфата

Этот метод, также известный как нагретый персульфат, использует то же образование свободных радикалов, что и окисление персульфата ультрафиолетом, за исключением того, что использует тепло для увеличения окислительной способности персульфата. Химическое окисление углерода с помощью сильного окислителя, такого как персульфат, очень эффективно и, в отличие от УФ-излучения, не подвержено более низкому извлечению из-за помутнения образцов. Анализ системных заготовок, необходимый во всех химических процедурах, особенно необходим для методов TOC с нагретым персульфатом, потому что метод настолько чувствителен, что невозможно приготовить реагенты с достаточно низким содержанием углерода, чтобы их нельзя было обнаружить. Персульфатные методы используются при анализе сточных вод, питьевой воды и фармацевтических вод. При использовании в сочетании с чувствительными детекторами NDIR приборы для определения ТОС на основе персульфата с подогревом легко измеряют ТОС от единиц на миллиард (ppb) до сотен частей на миллион (ppm) в зависимости от объемов пробы.

Обнаружение и количественная оценка

Точное обнаружение и количественная оценка являются наиболее важными компонентами процесса анализа ТОС. Электропроводность и недисперсионное инфракрасное излучение (NDIR) - два распространенных метода обнаружения, используемых в современных анализаторах ТОС.

Проводимость

Есть два типа детекторов проводимости: прямые и мембранные. Прямая проводимость обеспечивает всеобъемлющий подход к измерению CO ₂ . В этом методе обнаружения не используется газ-носитель, он хорош для диапазонов частей на миллиард (ppb), но имеет очень ограниченный аналитический диапазон. Электропроводность мембраны зависит от фильтрации CO ₂ перед его измерением с помощью кондуктометрической ячейки. Оба метода анализируют проводимость образца до и после окисления, связывая это дифференциальное измерение с ТОС образца. Во время фазы окисления образца образуются CO ₂ (напрямую связанный с TOC в образце) и другие газы. Растворенный CO ₂ образует слабую кислоту, тем самым изменяя проводимость исходного образца пропорционально TOC в образце. Анализ проводимости предполагает, что в растворе присутствует только CO ₂ . Пока это верно, расчет ТОС с помощью этого дифференциального измерения действителен. Однако, в зависимости от химических веществ, присутствующих в образце, и их отдельных продуктов окисления, они могут оказывать либо положительное, либо отрицательное влияние на фактическое значение TOC, что приводит к аналитической ошибке. Некоторые из мешающих химических веществ включают Cl ^- , HCO ₃ ^- , SO ₃ ^2- , SO ₂ ^- , ClO ₂ ^- и H ⁺ . Небольшие изменения pH и колебания температуры также способствуют неточности. Анализаторы мембранной проводимости усовершенствованы по сравнению с методом прямой проводимости за счет использования гидрофобных газопроницаемых мембран, позволяющих более «избирательно» пропускать растворенный газ CO ₂ и ничего больше. Это обеспечивает более точное и точное измерение органических веществ, которые были преобразованы в CO ₂ .

Недисперсионный инфракрасный (NDIR)

Метод недисперсионного инфракрасного анализа (NDIR) представляет собой единственный практически свободный от помех метод обнаружения CO ₂ при анализе ТОС. Основное преимущество использования NDIR состоит в том, что он непосредственно и конкретно измеряет CO _2, образующийся при окислении органического углерода в реакторе окисления , а не полагается на измерение вторичного, скорректированного эффекта, такого как используемый при измерениях проводимости.

График пропускания атмосферы в части ИК-диапазона, показывающий длины волн поглощения CO ₂

Традиционный детектор NDIR основан на технологии проточной ячейки, при которой продукт окисления непрерывно поступает в детектор и выходит из него. Область поглощения инфракрасного света, специфичного для CO ₂ , обычно около 4,26 мкм (2350 см ^-1 ), измеряется с течением времени, когда газ проходит через детектор. Также выполняется второе эталонное измерение, которое не является специфическим для CO ₂ , и дифференциальный результат коррелирует с концентрацией CO ₂ в детекторе в этот момент. По мере того, как газ продолжает поступать в детекторную ячейку и из нее, в результате суммы измерений получается пик, который интегрируется и коррелируется с общей концентрацией CO ₂ в аликвоте пробы.

Новым достижением технологии NDIR является статическая концентрация под давлением (SPC). Выпускной клапан NDIR закрыт, чтобы давление в детекторе находилось под давлением. Когда газы в детекторе достигли равновесия , анализируется концентрация CO ₂ . Это повышение давления в потоке анализируемого газа в NDIR, запатентованном методе, позволяет повысить чувствительность и точность, измеряя все продукты окисления образца за одно измерение, по сравнению с технологией проточной ячейки. Выходной сигнал пропорционален концентрации CO ₂ в газе-носителе в результате окисления аликвоты пробы. УФ / персульфатное окисление в сочетании с NDIR-детектированием обеспечивает хорошее окисление органических веществ, низкие затраты на обслуживание прибора, хорошую точность на уровне частей на миллиард, относительно быстрое время анализа пробы и легко подходит для множества применений, включая очищенную воду (PW), воду для инъекций (WFI), CIP , анализы питьевой воды и сверхчистой воды.

Анализаторы

Практически все анализаторы ТОС измеряют CO _2, образующийся при окислении органического углерода и / или при подкислении неорганического углерода. Окисление осуществляется либо посредством сжигания, катализируемого платиной, нагретым персульфатом, либо с помощью УФ / персульфатного реактора. После образования CO ₂ он измеряется детектором: либо датчиком электропроводности (если CO ₂ водный), либо недисперсионным инфракрасным датчиком (после продувки водного CO ₂ в газовую фазу). Обнаружение проводимости желательно только в нижних диапазонах ТОС в деионизированной воде, тогда как обнаружение NDIR лучше во всех диапазонах ТОС. Вариант, называемый мембранным кондуктометрическим детектированием, позволяет измерять ТОС в широком аналитическом диапазоне как в образцах деионизированной, так и недеионизированной воды. Современные высокопроизводительные приборы TOC способны обнаруживать концентрации углерода значительно ниже 1 мкг / л (1 часть на миллиард или частей на миллиард).

Анализатор общего органического углерода определяет количество углерода в пробе воды. Подкисляя образец и промывая его азотом или гелием, образец удаляет неорганический углерод, оставляя для измерений только источники органического углерода. Есть два типа анализаторов. Один использует горение, а другой - химическое окисление. Это используется в качестве теста на чистоту воды, так как присутствие бактерий вносит органический углерод.

Полевые испытания анализатора и отчеты

Некоммерческая исследовательская и испытательная организация, Instrumentation Testing Association (ITA), может предоставить результаты полевых испытаний онлайн-анализаторов TOC в промышленных сточных водах. Управление по утилизации отходов побережья Мексиканского залива (GCWDA), Завод по очистке промышленных сточных вод Бейпорта в Пасадене, штат Техас, спонсировало и провело это испытание в 2011 году. Объект GCWDA в Бэйпорте обрабатывает приблизительно 30 мг в день промышленных отходов, полученных от примерно 65 клиентов (в основном нефтехимических). Полевые испытания заключались в использовании онлайн-анализаторов ТОС на притоке объекта в Бейпорте, в которых концентрации ТОС могут варьироваться от 490 до 1020 мг / л, в среднем 870 мг / л. GCWDA проводит около 102 анализов TOC в своей лаборатории в день на своем очистном сооружении в Бейпорте и использует измерения TOC для управления технологическим процессом и выставления счетов. GCWDA планирует использовать онлайн-анализаторы ТОС для управления технологическим процессом, обнаружения входных пробок от промышленности и потенциально использовать онлайн-анализаторы ТОС для обнаружения и мониторинга летучих компонентов входящего потока. Полевые испытания проводились в течение 90 дней с использованием лабораторных измерений соответствия один раз в день для сравнения с выходными данными анализатора, чтобы продемонстрировать общую точность прибора при воздействии множества одновременно изменяющихся параметров, как это было в условиях мониторинга в реальном времени. Результаты полевых испытаний могут предоставить информацию о требованиях к конструкции, эксплуатации и техническому обслуживанию прибора, которые влияют на характеристики приборов в полевых условиях. Отчет о полевых испытаниях включает в себя оценки онлайн-анализаторов TOC, использующих следующие технологии: высокотемпературное горение (HTC), высокотемпературное каталитическое окисление / окисление при горении (HTCO), сверхкритическое окисление воды (SCWO) и двухступенчатое повышенное окисление (TSAO).

Горение

В анализаторе горения половина пробы вводится в камеру, где она подкисляется, обычно фосфорной кислотой, чтобы превратить весь неорганический углерод в диоксид углерода в соответствии со следующей реакцией:

CO ₂ + H ₂ O ⇌ H ₂ CO ₃ ⇌H ⁺ + HCO ₃ ^- ⇌ 2H ⁺ + CO ₃ ²⁻

Затем он отправляется на детектор для измерения. Другая половина образца вводится в камеру сгорания, температура которой повышается до 600–700 ° C, а в некоторых даже до 1200 ° C. Здесь весь углерод вступает в реакцию с кислородом, образуя углекислый газ. Затем он сбрасывается в охлаждающую камеру и, наконец, в детектор. Обычно в качестве детектора используется недисперсионный инфракрасный спектрофотометр . Путем нахождения общего неорганического углерода и вычитания его из общего содержания углерода определяется количество органического углерода.

Химическое окисление

Анализаторы химического окисления вводят образец в камеру с фосфорной кислотой, а затем с персульфатом. Анализ разделен на два этапа. Один удаляет неорганический углерод путем подкисления и продувки. После удаления неорганического углерода добавляют персульфат, и образец либо нагревают, либо облучают УФ-светом от ртутной лампы. Свободные радикалы образуют персульфат и реагируют с любым доступным углеродом с образованием диоксида углерода. Углерод от обоих определений (этапов) либо пропускается через мембраны, которые измеряют изменения проводимости , возникающие в результате присутствия различных количеств диоксида углерода, либо продувается и обнаруживается чувствительным детектором NDIR. Как и в анализаторе горения, общее количество образовавшегося углерода за вычетом неорганического углерода дает хорошую оценку общего органического углерода в образце. Этот метод часто используется в онлайн-приложениях из-за низких требований к обслуживанию.

Приложения

TOC - это первый химический анализ, который будет проведен на потенциальных нефтематеринских породах при разведке нефти . Это очень важно для обнаружения загрязняющих веществ в питьевой воде, охлаждающей воде, воде, используемой в производстве полупроводников, и воде для фармацевтического использования. Анализ может быть выполнен либо как непрерывное онлайн-измерение, либо как лабораторное измерение.

Обнаружение ТОС является важным измерением, поскольку оно может оказывать влияние на окружающую среду, здоровье человека и производственные процессы. TOC - это высокочувствительное неспецифическое измерение всех органических веществ, присутствующих в образце. Следовательно, его можно использовать для регулирования выбросов органических химикатов в окружающую среду на производственном предприятии. Кроме того, низкий уровень ТОС может подтвердить отсутствие потенциально вредных органических химикатов в воде, используемой для производства фармацевтических продуктов. ТОС также представляет интерес в области очистки питьевой воды из-за побочных продуктов дезинфекции. Неорганический углерод практически не представляет угрозы.

Анализ

Окружающей среды

С начала 1970-х годов ТОС представляет собой аналитический метод, используемый для измерения качества воды в процессе очистки питьевой воды . ТОС в исходных водах происходит из разлагающихся природных органических веществ (NOM), а также из синтетических источников. Гуминовая кислота , фульвокислота, амины и мочевина являются примерами NOM. Некоторые моющие средства , пестициды , удобрения , гербициды , промышленные химикаты и хлорированные органические вещества являются примерами синтетических источников. Перед обработкой исходной воды для дезинфекции TOC дает оценку количества NOM в источнике воды. В водоочистных сооружениях исходная вода подвержена реакции с дезинфицирующими средствами, содержащими хлориды . Когда сырая вода хлорируется, соединения активного хлора (Cl ₂ , HOCl, ClO ^- ) реагируют с NOM с образованием хлорированных побочных продуктов дезинфекции (DBP). Исследователи определили, что более высокие уровни NOM в исходной воде во время процесса дезинфекции увеличивают количество канцерогенов в обработанной питьевой воде.

С принятием Закона США о безопасной питьевой воде в 2001 году анализ TOC стал быстрой и точной альтернативой классическим, но более продолжительным испытаниям биологической потребности в кислороде (БПК) и химической потребности в кислороде (ХПК), традиционно предназначенных для оценки потенциального загрязнения сточных вод. . Сегодня природоохранные агентства регулируют пределы следов ПДД в питьевой воде. Недавно опубликованные аналитические методы, такие как метод 415.3 Агентства по охране окружающей среды США (EPA), поддерживают Правила Агентства по дезинфицирующим средствам и побочным продуктам дезинфекции, которые регулируют количество NOM для предотвращения образования DBP в готовой воде.

Содержание ТОС также является важным параметром для оценки качества ресурсов органических сланцев, которые являются одним из наиболее важных нетрадиционных видов топлива. Были введены многочисленные методы оценки, в том числе основанные на каротажных данных и методах in situ.

Фармацевтическая

Попадание органических веществ в водные системы происходит не только за счет живых организмов и разлагающихся веществ в исходной воде, но и за счет материалов систем очистки и распределения. Может существовать взаимосвязь между эндотоксинами , ростом микробов и развитием биопленок на стенках трубопроводов и ростом биопленок в фармацевтических системах распределения. Считается, что существует корреляция между концентрациями ТОС и уровнями эндотоксинов и микробов. Поддержание низких уровней ТОС помогает контролировать уровни эндотоксинов и микробов и тем самым развитие роста биопленок. Штаты Фармакопеи США (USP), Европейской фармакопее (ЕР) и японской фармакопеи (JP) признать TOC в качестве необходимого испытания для очищенной воды и воды для инъекций (WFI). По этой причине ТОС получил признание в качестве атрибута управления технологическим процессом в биотехнологической промышленности для мониторинга производительности единичных операций, включая системы очистки и распределения. Поскольку многие из этих биотехнологических операций включают в себя приготовление лекарств, Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) вводит многочисленные правила для защиты здоровья населения и обеспечения сохранения качества продукции. Чтобы убедиться в отсутствии перекрестного загрязнения между сериями продуктов с разными лекарствами, выполняются различные процедуры очистки. Уровни концентрации TOC используются для отслеживания успеха этих процедур валидации очистки, особенно

Смотрите также

Ссылки

Почему углерод так важен? | НАСА Climate Kids

Краткий ответ:

Углерод содержится в двуокиси углерода, парниковом газе, который удерживает тепло вблизи Земли. Это помогает Земле удерживать энергию, которую она получает от Солнца, чтобы она не уходила обратно в космос. Если бы не углекислый газ, океан Земли замерз бы.

Почему их называют ископаемым топливом?

Их называют ископаемым топливом , потому что топливо в вашем бензобаке происходит из химических остатков доисторических растений и животных!

Все живые существа на Земле содержат углерод.Даже у вас есть углерод. Очень много. Если вы весите 100 фунтов, 18 фунтов из вас - чистый углерод! А растения почти наполовину состоят из углерода!

Вы на 18 процентов состоите из углерода. Растения на 45 процентов состоят из углерода.

Почему при таком большом количестве углерода не все черное и сажистое? Как собаки могут быть белыми, а деревья зелеными? Потому что углерод, элемент, легко соединяется с другими элементами, образуя новые материалы. Новые вещества, называемые соединениями, сильно отличаются от чистого углерода.

Атом - это мельчайшая возможная частица любого элемента, например углерода или кислорода. Атом углерода легко соединяется с двумя атомами кислорода, образуя двуокись углерода.

«C» означает углерод, «O» означает кислород, поэтому диоксид углерода часто называют «CO-2 и пишут« CO ₂ ». CO ₂ - это газ. Он невидим. CO ₂ действительно важно.

Прочтите, чтобы узнать, как углерод попадает в живые существа.

Как углерод попадает в живые существа?

Двуокись углерода на входе, вода и кислород на выходе.

Растения поглощают CO ₂ . Они удерживают углерод и отдают кислород. Животные вдыхают кислород и выдыхают углекислый газ.

Растения и животные зависят друг от друга. Это хорошо работает. Сотни миллионов лет растения и животные жили и умирали. Их останки похоронены глубоко под поверхностью Земли.Таким образом, на протяжении сотен миллионов лет этот материал сжимался и подвергался тепловой обработке под действием большого давления и тепла.

Сотни миллионов лет мертвые растения и животные хоронили под водой и грязью. Тепло и давление превратили мертвые растения и животных в нефть, уголь и природный газ.

Так что же происходит со всеми этими мертвыми растениями и животными? Он превращается в то, что мы называем ископаемым топливом: нефть, уголь и природный газ. Это то, что мы сейчас используем, чтобы зарядить наш мир энергией.Мы сжигаем эти богатые углеродом материалы в автомобилях, грузовиках, самолетах, поездах, электростанциях, обогревателях, скоростных катерах, барбекю и многих других вещах, требующих энергии.

Как углерод выходит из живых существ?

Когда горят ископаемые виды топлива, мы в основном получаем три вещи: тепло, воду и CO. ₂ . Мы также получаем твердые формы углерода, такие как сажа и жир.

Вот куда идет весь старый углерод. Весь углерод, накопленный во всех этих растениях и животных на протяжении сотен миллионов лет, возвращается в атмосферу всего за одну-двести лет.

Знаете ли вы, что при сжигании 6,3 фунта бензина образуется 20 фунтов двуокиси углерода? Хотите узнать как?

Углерод в воздухе - это хорошо, плохо или просто некрасиво ??

Теплица улавливает солнечную энергию внутри и сохраняет растения в тепле.

Вот важная вещь о CO ₂ : это парниковый газ. Это означает, что CO ₂ в атмосфере удерживает тепло вблизи Земли.Это помогает Земле удерживать часть энергии, которую она получает от Солнца, поэтому энергия не утекает обратно в космос.

Если бы не этот парниковый эффект, океаны Земли замерзли бы. Земля не была бы той красивой сине-зеленой планетой жизни, которой она является.

Если бы не парниковый эффект, Земля была бы ледяным шаром.

Итак, CO ₂ и другие парниковые газы хороши - до определенной степени.Но CO ₂ настолько хорошо удерживает тепло от Солнца, что даже небольшое увеличение CO ₂ в атмосфере может привести к тому, что Земля станет еще теплее.

На протяжении всей истории Земли, когда количество CO ₂ в атмосфере увеличивалось, температура Земли также повышалась. А когда температура повышается, CO ₂ в атмосфере повышается еще больше.

Этот график показывает, как температура и углекислый газ вместе увеличивались и уменьшались за последние 400 000 лет. Ссылка: http://www.epa.gov/climatechange/science/pastcc_fig1.html.

Исследовательские спутники НАСА изучают, сколько углерода растения забирают из атмосферы и как углерод перемещается по планете.

Посмотрите на прибор Climate Time Machine , чтобы увидеть, как CO ₂ и температура менялись вместе на протяжении истории.

.

Что такое угольный графит | Сент-Мэрис Карбон

Углерод царственно занимает первое место в группе 4 элементов Периодической таблицы. Свойства и поведение углерода в сочетании с другими элементами настолько обширны, что ему посвящены две области научных исследований: органическая химия и биохимия. Они включают простые молекулы, такие как углекислый газ и уксусная кислота (уксус), и сложные соединения, такие как дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) и белки, функция которых определяется как их химическим составом, так и их трехмерной структурой.

Карбон также глубок и разнообразен, когда сочетается только с самим собой. Углерод является аллотропным, что означает, что он может существовать в различных структурных модификациях. Эти разные структуры или аллотропы могут иметь очень разные повторяющиеся узоры и результирующие физические свойства. Ниже показаны различные аллотропные формы углерода. Наиболее распространенными и широко используемыми из них являются аморфный углерод, графит и алмаз. Несмотря на популяризацию и впечатляющие физические свойства, измеренные в микроскопическом масштабе, другие аллотропы углерода не получили широкого применения.Углеродные нанотрубки являются исключением, растущим в таких приложениях, как усиление инженерных пластиков.

В оставшейся части обсуждения мы сосредоточимся на аморфной и графитовой формах углерода.

В то время как аморфный углерод характеризуется отсутствием порядка или кристаллической структуры, графит представляет собой высокоупорядоченный материал с атомами углерода, организованными в 6 элементарных ячеек, которые соединены с соседними ячейками, которые объединяются в плоскости. Сила сцепления для межслоевых углеродов довольно сильна, при этом связь между слоями слабая, что приводит к самосмазывающейся природе графита, поскольку плоскости относительно легко скользят между собой.Молекулы воды также играют роль в этом явлении самосмазки.

Восемь аллотропов углерода: a) алмаз, b) графит, c) лонсдейлит, d) бакминстерфуллерен C60, e) C540, фуллерит, f) C70, g) аморфный углерод, и h) одностенные углеродные нанотрубки.

Эти термины относятся к двум классам инженерных углеродных материалов, которые в основном состоят из углерода и в целом различаются пиковой температурой обработки, которая оказывает сильное влияние на ингредиенты.

Оба материала производятся практически по идентичной технологии

.

• Сырье для партии - как правило, твердые, хотя иногда используются жидкие связующие.
• Смешивание - выполняется при нагревании до тех пор, пока сырье не станет полностью гомогинизированным, а наполнители не будут покрыты связующим.
• Мельница - в конце перемешивания материал консистенция шариков размером примерно 1 дюйм с более крупной массой, визуально похожей на перемешиваемое хлебное тесто.Чтобы сформировать прессовку с однородной микроструктурой, смесь необходимо охладить, а затем измельчить до частиц с максимальным размером от 0,004 дюйма (105 мкм) до 0,010 дюйма (250 мкм).
• Форма - частицы, которые были разработаны (состав, связующее , Фрезерование) необходимо превратить в прекурсор или заготовку в форму нетто-формы для дальнейшей обработки, которая может включать механическую обработку. Это осуществляется посредством одноосного формования, мокрого изостатического формования пакетов и менее популярных сухих пакетов или экструзии.
• Обжиг - термообработка для карбонизации связующего вещества-предшественника углерода, чтобы сделать тело углеродным связующим.

Электрографитные материалы проходят еще одну стадию термической обработки, которая всегда выполняется в отдельной печи. При обжиге преобладающими проблемами являются устранение углеводородных паров, которые являются побочным продуктом предшественника связующего, и достаточно медленное спекание, чтобы предотвратить взрыв формованных компонентов из-за потери веса связующего. Для графитизации основной движущей силой печи является достижение необходимых пиковых температур, обеспечение безопасности и минимизация износа печи, который может быть значительным и дорогостоящим.

Таким образом, название «Углерод / графит» связано с тем, что связующее только карбонизируется, хотя наполнители могут содержать графит.

И углерод / графит, и электрографит являются пористыми после обжига или графтизации (от 10% до 25% по объему) и во многих случаях пропитываются для улучшения рабочих характеристик и / или физической прочности. Компоненты также обрабатываются с использованием различных типов станков (токарный, фрезерный, шлифовальный, притирочный и т. Д.).

Электрографитовые материалы также могут быть пропитаны между этапами обжига и графитации.

Поскольку оба класса являются углеродными материалами, иногда легче сначала обсудить и понять их различия.

При температурах> 2200 C (3990 F) аморфный или неупорядоченный углерод конденсируется и реорганизуется в базовые плоскости графитоподобных структур. Типичные коммерческие циклы графитации составляют от 2450 ° C (4400 F) до 3000 ° C (5400 F). Имейте в виду, что в этих материалах используются преимущественно (и часто исключительно) углеродные наполнители и связующее вещество-предшественник углерода.Каждое из этих сырьевых материалов имеет уникальный источник и производственный процесс, который влияет на углеродные связи. Эта предварительная структура может повлиять на то, как этот конкретный материал будет «графитироваться» и в какой степени он будет самосмазываться.

В качестве примера эффекта графитации были выбраны три характеристики для текущего материала и то, как их значения изменяются с пиковой температурой процесса.

Процесс	Зола (% масс.)	Электрическое Удельное сопротивление (Ом-дюйм)	Тепловое Электропроводность (БТЕ / фут / час / F
После выпекания	0,01	0,00225	8
После графитации	0,001	0,0010	27

Таким образом, разнообразие материалов из углерода, графита и электрографита после термообработки расширяется.

Что такое углерод / графит и электрографит?

Как указывалось ранее, углеродно-графитовые и электрографитовые материалы после окончательной термообработки являются пористыми.
Эти материалы могут использоваться как есть или быть дополнены пропиткой или пропиткой пористости Материала, как правило, смолой или металлом (баббитом, медью, серебром и т. Д.). Эти пропитки используются для:

• Увеличить прочность
• Увеличить электропроводность
• Увеличить теплопроводность,
• Уменьшить пористость,
• Сделать тело непроницаемым, таким образом, способным образовывать уплотнение, и / или
• Улучшить эксплуатационные характеристики.

Следовательно, углерод / графит или графитовый материал - это действительно сумма его частей: сырье + обработка + импренгнант.

Покрытия

Углеродные компоненты могут быть покрыты Teflon ™ или пиролитическим графитом для герметизации поверхности и сохранения химической стойкости.

Твердые покрытия, такие как карбид кремния, алмазоподобные и алмазные покрытия, обычно не наносятся на углеродные / графитовые или электрографитные материалы, потому что эти материалы уже имеют низкий коэффициент трения, так как, во-вторых, твердые покрытия требуют материала подложки с очень высоким модулем упругости .

Факторы, влияющие на углеродные / графитовые и электрографитовые материалы

Углеродные / графитовые и электрографитовые материалы Обзор применения

Что такое приложение и его среда?
С точки зрения дизайна, каковы основные соображения по материалам углерод / графит и электрографит?
Следующие 6 разделов представляют собой попытку ответить на вышеуказанные вопросы и полностью изучить различные аспекты этих Материалов.

Основные соображения по материалам
Применение	Трибологические характеристики, включая коэффициент трения	Тепловые свойства	Стойкость к окислению и температурный предел	Химическая стойкость	Физические свойства
1.	2.	3.	4.	5.

1.Приложения

1.1 Статическая - электрическая

• Статические контакты
• 1,2 Статично-механический
• Стационарная шайба или уплотнение
• Сальник
• Компоненты или оборудование для высокотемпературной печи
• Приспособления для транспортировки стекла

1,3 Динамический-электрический

• Щетки
• Раздвижные контакты
• Колодки заземления

1,4 Динамический - Механический

• Подшипники (радиальные, упорные, Kingsbury и др.))
• Подшипники подвески
• Торцевые уплотнения (жидкость и газ)
• Лабиринтные уплотнения
• Механические уплотнения (для исключения летучих твердых частиц в воздухе)
• Кольца и уплотнения турбины и компрессора
• Компоненты лопастного насоса
  • Лопатки, ротор, футеровка, концевые пластины
• Клапаны
• Компоненты ротора или шестеренчатого насоса

1.5 Динамический - смазка

• Смазочные пробки
• Смазочные пластины

1.6 Окружающая среда и жидкости

• Воздух (окружающий, давление и вакуум)

  Предел температуры	Материал
  500 F (260 C)	Углерод / графит или электрографит, пропитанный смолой
  700 F (371 C)	Углерод / графит без пропитки
  900 F (482 C)	Типичный электрографит
  1150 F (621 C)	Электрографит с высокотемпературной пропиткой

• Криогенные
• Аэрокосмическая промышленность (зависит от рабочей высоты)
• Углеводороды
• Масла (в качестве продукта, промежуточного звена и теплоносителя)
• Растворители
• Органические и минеральные кислоты
• Каустик

1.7 Размер компонента

• 0,5–20 дюймов
  Углерод / графит и электрографит материалы могут быть изготовлены в чистой форме, чтобы предлагать наиболее экономичное решение и обеспечивать возможность больших объемов, или могут легко обрабатываться с различными конфигурациями, допусками и обработкой поверхности. Типичные допуски: От ± 0,005 дюйма до ± 0,020 с некоторыми значениями до ± 0,001 дюйма.
  Карбоновые кольца можно отполировать до плоскостности 2 гелиевых световых полос (0,000022 дюйма).

2. Трибологические характеристики и коэффициент трения

• Если приложение вращается, совершает возвратно-поступательное движение или скользит - есть вероятность, что часть этого узла выиграет от правильно рекомендованного сорта механического / углеродного или электрографита.Как обсуждалось ранее, графит является самосмазывающимся из-за его сильно стратифицированной структуры. Этот материал также очень способен переносить слой на сопрягаемую поверхность, чтобы снизить коэффициент трения и износа. Взяв один для команды - механические / угольные и электрографитовые компоненты часто считаются жертвенными и предпочтительно изнашиваются, поскольку они могут делать так что против очень большого и дорогого вала, который было бы трудно или невозможно заменить. Эта ситуация подчеркивает сложность применения наилучшей пары сопряжения в приложении, пытаясь добиться ограниченного износа карбона для обеспечения приемлемого срока службы, но при этом достаточного износа, чтобы предотвратить повреждение другого компонента.Критическими факторами являются материалы конструкции, отделка поверхности и пористость поверхностей трения, конструктивные факторы уплотнения или подшипника, жидкость, температура и т. Д. В качестве примера - если шероховатость или пористость поверхности Hardface чрезмерны, она будет действовать как шлифовальный круг, и ускоряет износ Углерода. Углерод / Графит и Электрографит имеют малый вес (обычно от 1,7 до 1,85 г / куб.см без металлической пропитки). Это дает большие преимущества при вращении за счет уменьшения инерции вращения.

3. Тепловые свойства

• Вообще говоря, вам нужны материалы, устойчивые к температуре - низкий коэффициент теплового расширения. Кроме того, для трущихся компонентов также желательна высокая теплопроводность, чтобы отводить тепло, которое генерируется на трущейся поверхности. Без этой проводимости тепло будет накапливаться и увеличивать температуру, что потенциально может вызвать повреждение одной из трущихся поверхностей или привести к кавитации в жидкости. В меньшей степени желательно иметь низкую теплоемкость, которая помогает теплу проходить к большему телу.Параметр теплового удара RT указывает на устойчивость материала к растрескиванию и разрушению при воздействии теплового удара, который может возникнуть, если насос работает всухую, а затем внезапно заливается жидкостью.

  k = теплопроводность
  α = коэффициент теплового расширения
  E = модуль упругости
  Поскольку углерод / графит и графитовые материалы имеют относительно высокую теплопроводность, низкий коэффициент теплового расширения и умеренный модуль упругости, они обладают превосходной термостойкостью .

Физические характеристики	Диапазон значений для механических / углеродных материалов	Диапазон значений для электрографитных материалов
Коэффициент теплового расширения	2,5 - 3,2 мкдюймов / дюйм / F 4,5 - 5,8 мкм / мм / ° C	2,0 - 2,6 мкдюймов / дюйм / F 3,6 - 4,7 мкм / мм / ° C
Теплопроводность	от 5 до 8 БТЕ / ч / фут / фут от 9 до 14 Вт / м / ° C	от 25 до 105 БТЕ / час / фут / фут от 44 до 180 Вт / м / ° C
Теплоемкость	0.17 БТЕ / фунт / фут (0,71 кДж / кг / К)

4. Стойкость к окислению и температурный предел

• Углерод окисляется при воздействии повышенной температуры в окислительной атмосфере (наиболее популярным является воздух с 21% O2). Различные формы углерода будут окисляться с разной скоростью, которая определяется атомными связями этой конкретной структуры. Термореактивные смолы используются в качестве пропиток для углеродных материалов, чтобы уменьшить пористость, повысить прочность или сделать корпус непроницаемым.Эти органические вещества окисляются первыми и обычно имеют номинальную температуру 500 F. Связь в углеродном / графитовом материале более устойчива к окислению и имеет номинальную температуру до 700 F. После графитации и наполнители, и связующее в электрографите становятся значительно более устойчив к окислению с температурным рейтингом до 900 F. Неорганические добавки могут быть включены в электрографит, повышая его температурный предел до 1150 F. Предел температуры - это максимальная рекомендуемая температура использования в инертной среде, такой как вакуум, азот, аргон, или гелий.Предел температуры напрямую связан с максимальной температурой термообработки, которая составляет 1600 F (870 C) для углеродных / графитовых материалов и 5000 F (2760 C) для электрографитовых материалов.

5. Химическая стойкость

• Химическая инертность углеродных / графитовых и электрографитных материалов отражается как в их устойчивости к окислению при высокой температуре воздуха, так и к жидким химическим веществам и водным растворам.
• Растворители и углеводороды
  Углерод / графит и электрографит Материалы устойчивы к большинству растворителей, не набухают и не размягчаются, как многие инженерные пластмассы.Однако следует соблюдать осторожность при выборе материала, пропитанного смолой, так как смола будет слабым звеном.
  Легкие углеводороды под некоторыми конструкциями уплотнения могут вызвать вздутие угольного уплотнительного кольца. Если это невозможно решить с помощью изменения конструкции, рекомендуется использовать механический углерод, пропитанный сурьмой.
• Кислоты
  Механический уголь устойчив к большинству органических и минеральных кислот.
  Из-за своей агрессивности хромовая кислота разрушает углеродное связующее, поэтому для таких применений следует выбирать электрографит.
  Также плавиковая кислота встречается в некоторых нефтехимических приложениях. HF будет связывать золу в механических компонентах, поэтому для таких применений снова следует выбрать электрографит.
• Каустик
  Углерод / графит и электрографит Материалы обладают высокой устойчивостью к щелочным растворам. При экстремальных концентрациях и повышенных температурах необходимо оценить совместимость пропитки смолой.

6. Физические характеристики

• Механические / углеродные и электрографитные материалы обладают широким спектром физических свойств.Они имеют достаточно высокий модуль упругости для структурного использования и требований жесткости и доступны с различными уровнями прочности. Этот модуль упругости представляет собой компромисс между модулями инженерных пластиков и карбидной или оксидной керамикой, такими как самоспеченный карбид кремния и оксид алюминия, которые предлагают конструктору жесткий материал с «прощением». Из-за хрупкой природы этих материалов их прочность на растяжение Прочность низкая.

.

Углерод-углеродные композиты | ПО США - углерод / углеродные композиты

ЗАКАЗЫВАЕМЫЕ КРЕПЕЖИ И МОДУЛИ

Углерод-углерод используется для механических креплений при экстремально высоких температурах, включая болты, гайки и шпильки (например, по стандарту CFC от M6 до M20).

ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКИЕ ПОДНОСЫ, СТОЙКИ И СЕТКИ

Подносы, стеллажи, полки, решетки и т. Д. Для термообработки, специально разработанные в соответствии с вашими потребностями. Легкий, высокопрочный, термостойкий, не деформируется.

ИНСТРУМЕНТЫ ДЛЯ ЗАЖИГАНИЯ НА ЗАКАЗ

Изготовленные на заказ кондукторы и приспособления C / C для создания продуктов в областях пайки, диффузионной сварки и термической обработки металлов. Отсутствие термической деформации и отличные характеристики при высоких температурах.

• 

  Пружина зажимного приспособления

• 

  Пружина приспособления

• 

  Пружина приспособления

ДЕТАЛИ И КОМПОНЕНТЫ ПЕЧИ

По сравнению с традиционными печными материалами, такими как металл, графит или керамика, углерод-углерод отличается высокой прочностью и легкостью, что в свою очередь приводит к значительному увеличению производительности.

ПЛИТЫ И ЛИСТЫ-НОСИТЕЛИ

Carbon-Carbon используется для транспортировки деталей и материала подложки между процессами и обладает превосходной стабильностью размеров, теплопроводностью и долговечностью. Его можно использовать в чистом помещении, нанеся поверхностный слой с пылезащитным покрытием.

• Несущая пластина LCD

• 

  Обработанный лист

• 

  Обработанный лист

• 

  Пластина

ФРИКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ

В фрикционных материалах

CFC используются уникальные характеристики фрикционной и термостойкости углерод-углеродных композитов.Отчетливая структурная составляющая этой категории достигается в производстве мелких деталей, таких как тормоза, сцепления и промышленные подшипники.

• 

  Тормозной диск

• 

  Диск сцепления

• 

  Раздвижная доска

.

Что такое налог на выбросы углерода?

Налог на выбросы углерода - это сбор, взимаемый за сжигание углеродосодержащего топлива (уголь, нефть, газ). Более конкретно: налог на выбросы углерода является основной политикой сокращения и, в конечном итоге, прекращения использования ископаемого топлива, сжигание которого дестабилизирует и разрушает наш климат.

Налог на выбросы углерода - это способ - на самом деле - всего лишь способ - заставить пользователей углеродного топлива заплатить за климатический ущерб, причиненный выбросом углекислого газа в атмосферу.Если он установлен достаточно высоко, он становится мощным денежным сдерживающим фактором, который мотивирует переход на чистую энергию во всей экономике, просто делая более экономически выгодным переход на неуглеродные виды топлива и энергоэффективность.

Углеродная химия мощна, но при этом проста. Количество CO2, выделяемого при сжигании любого ископаемого топлива, строго пропорционально содержанию углерода в топливе. Это позволяет взимать налог на выбросы углерода с самого топлива, когда оно добывается из земли или импортируется в США, «вверх по течению».S., что значительно упрощает его администрирование.

Источник: Управление энергетической информации США. Уголь выделяет больше всего CO2, а природный газ меньше всего.

Энергетическая сущность любого ископаемого топлива - это атомы углерода и водорода. Окисление (сжигание) этих атомов высвобождает их тепловую энергию, но также преобразует углерод в двуокись углерода. Природный газ с высоким соотношением водорода и углерода является наименее углеродоемким топливом, а уголь - наиболее. CO2, выделяющийся при сжигании этого топлива, поднимается в верхние слои атмосферы и остается там - обычно около века, удерживая тепло, повторно излучаемое с поверхности Земли, и вызывая глобальное потепление и другие пагубные изменения климата.

Содержание углерода в каждом ископаемом топливе, от антрацита или бурого угля до мазута и природного газа, точно известно. Налог на выбросы углерода подчиняется этим пропорциям, облагая уголь более высоким налогом, чем нефтепродукты, и намного больше, чем природный газ. Это упрощает документирование и измерение налога на выбросы углерода.

Как осуществляется налог на выбросы углерода?

Используя существующие механизмы сбора налогов, налог на выбросы углерода уплачивается «вверх по течению», то есть в точке, где топливо извлекается с Земли и помещается в поток торговли или импортируется в США.S. Поставщики и переработчики топлива могут оплачивать расходы по налогу в той степени, в которой это позволяют рыночные условия. Введение налога на углерод дает потребителям и производителям денежный стимул для сокращения выбросов углекислого газа.

Пожалуй, наиболее поразительной особенностью здесь является то, что с 2000 года потребление энергии в США в основном не изменилось.

Углерод, который химически связан в промышленных продуктах, таких как пластмассы, но не сжигается, не будет облагаться налогом. Аналогичным образом, любой СО2 от производства энергии, который навсегда улавливается, а не выбрасывается в атмосферу, не будет облагаться налогом (или получит компенсационный налоговый кредит).Кроме того, некоторые предложения по налогу на выбросы углерода включают освобождение от экспортно-зависимых предприятий, чтобы помочь им оставаться конкурентоспособными на мировых рынках.

Чтобы ознакомиться с основными принципами администрирования налога на выбросы углерода, щелкните здесь.

Чтобы просмотреть сводку налогов на выбросы углерода в других странах, щелкните здесь.

Чтобы получить ответы на часто задаваемые вопросы по налогу на выбросы углерода, нажмите здесь.

.

---

Смотрите также

• 
  Как солить икру карпа
• 
  Рак голубой австралийский
• 
  Рецепт запеченный осетр
• 
  Что такое соление
• 
  Рыбалка на енисее в октябре
• 
  Озеро байкал интересные факты
• 
  Что делать если вода жесткая
• 
  Интересные факты о байкале
• 
  Кто питается планктоном
• 
  Эхолот на пвх лодку
• 
  Атмосферное давление повышенное