遊離碳

遊離態的化學物質

遊離碳(F.C)是一種遊離態的物質,一般用在工業碾磨和表面處理上的工業磨料。日常生活中常見的有黑色鉛筆芯,石墨。

簡介


遊離碳
遊離碳
遊離態在化學上,指一元素不與同種元素化合,而能單獨存在的狀態。元素以單質形態存在則為遊離態。不同金屬的化學活動性不同,它們在自然界中存在形式也各不相同。少數化學性質不活潑的金屬,在自然界中能以遊離態存在,如金、鉑、銀。
簡單的說遊離碳和化合物相對,不易化合或很易從化合物中分離的碳,就是單質的碳,元素以單質形態存在叫遊離,遊離碳就是以單質存在的碳元素。
硬質合金(WC)中碳化鎢理想的碳含量是6.13%的質量比,當含碳量過高時,產品中將有明顯的滲碳組織。產品終會有明顯多餘的遊離碳。
遊離碳會極大降低碳化鎢硬質合金的強度與耐磨性。
金相檢測中C型孔表示了滲碳的(C-type):遊離碳。

影響


遊離碳
遊離碳
化學成分對磨料性質影響較大,對碳化硅磨料而言,碳化硅含量越高,其硬度與磨削性能就越好,一級品碳 化硅結晶塊通常含有98%左右SiC,雜質(主要有二氧化硅、硅、碳、鐵、鋁、鈣、鎂)約佔2%。剛玉中化學成分同樣對磨料性質有較大影響,白剛玉由於比棕剛玉Al2O3含量高,因而其硬度高於棕剛玉,性脆,具有良好切削性能;黑剛玉因Al2O3含量較低,故其硬度較低,而韌性較好,適用於製作塗附磨具。其它化學成分存在及含量多少,對剛玉性質也有較大影響,棕剛玉中TiO2含量增加,能使剛玉韌性增加;白剛玉中Na2O一種有害成分,由於它存在使得生成β——Al2O3結晶硬度降低,切削性能差,易破碎;如果在白剛玉冶鍊過程中加入Cr2O3 ZrO2等化學成分,可以製造成鉻剛玉、鋯剛玉,使白剛玉性能得到改善,提高其韌性。

存在形式


遊離碳
遊離碳
最常見的兩種單質是高硬度的金剛石和柔軟滑膩的石墨,它們晶體結構和鍵型都不同。金剛石每個碳都是 四面體4配位,類似脂肪族化合物;石墨每個碳都是三角形3配位,可以看作無限個苯環稠合起來。
1. 金剛石(diamond)
最為堅固的一種碳結構,其中的碳原子以晶體結構的形式排列,每一個碳原子與另外四個碳原子緊密鍵合,成空間網狀結構,最終形成了一種硬度大、活性差的固體。金剛石的熔點超過3500℃,相當於某些恆星表面溫度。主要作用:裝飾品、切割金屬材料等
2.石墨(graphite)
石墨是一種深灰色有金屬光澤而不透明的細鱗片狀固體。質軟,有滑膩感,具有優良的導電性能。石墨中碳原子以平面層狀結構鍵合在一起,層與層只見鍵合比較脆弱,因此層與層之間容易被滑動而分開。主要作用:製作鉛筆,電極,電車纜線等
3.富勒烯(fullerene)
1985年由美國德克薩斯州羅斯大學的科學家發現。富勒烯中的碳原子是以球狀穹頂的結構鍵合在一起。
4.其他碳結構
無定形碳(Amorphous,不是真的異形體,內部結構是石墨)
碳納米管(Carbon nanotube)
六方金剛石(Lonsdaleite,與金剛石有相同的鍵型,但原子以六邊形排 富勒烯
列,也被稱為六角金剛石)
趙石墨(Chaoite,石墨與隕石碰撞時產生,具有六邊形圖案的原子排列)
汞黝礦結構(Schwarzite,由於有七邊形的出現,六邊形層被扭曲到“負曲率”鞍形中的假想結構)
纖維碳(Filamentous carbon,小片堆成長鏈而形成的纖維)
碳氣凝膠(Carbon aerogels,密度極小的多孔結構,類似於熟知的硅氣凝膠)
碳納米泡沫(Carbon nanofoam,蛛網狀,有分形結構,密度是碳氣凝膠的百分之一,有鐵磁性)

測定


目前,優質材料的開發在材料研究中佔有及其重要的地位。眾所周知,硬質合金的強度通常取決於合金的粘結劑量、碳含量和碳化物粒度等,遊離碳過高,會直接影響合金的硬度、強度等性能。舉例介紹一下氣體容量法測定單晶碳化鎢中的遊離碳含量。單晶碳化鎢是一種添加了少量鋁、鐵氧化物的新型高溫燒結碳化物。
稱取試樣0.500 g~1.000g於一個鉑金皿中,加入氫氟酸5 mI,硝酸10 mL,於沸水浴上加熱溶解約15 min。補加氫氟酸5 mL,硝酸10 mI。,加熱溶解約10 rain;再加硫酸一硫酸銨溶液4~5 mL,加熱溶解約15 min;再加氫氟酸3 mL,硝酸5 mI。繼續加熱溶解約20 rain(若有鎢酸或白色沉澱物生成,可補加2~3 m(氳氟酸使其溶解)。取下鉑金皿於冷水中冷卻,待不溶物沉於杯底后,用鉑金鉗夾住鉑金皿上沿輕搖,若不溶物全部分散於溶液中,底部無沉澱,則說明碳化鎢溶解完全;若搖動,底部少量沉澱聚攏不散開,說明有少量碳化鎢未溶解,需繼續水浴加熱溶解。用酸洗石棉抽濾,熱水洗12~14次,抽干,轉入瓷舟中,放入溫度為140℃的恆溫乾燥箱中烘1 h,於725℃管式爐中,預燒5 min,用氣體容量法吸收兩次,測定遊離碳含量。