Густина вуглецю - короткий огляд

Вуглець є одним з основних будівельних блоків нашого всесвіту, і кожна наука про нього є дуже сучасною в органічному житті, промисловому застосуванні та матеріалознавстві. Густина, тобто маса атомів вуглецю в одиниці об'єму, є однією з ключових властивостей вуглецю. Густина вуглецю важлива для багатьох застосувань, від матеріалознавства до екології. У цій статті ми розглянемо різні форми, яких може набувати вуглець, їхню густину і те, як ці властивості впливають на практичне застосування.

Що таке щільність?

Густина - це маса, поділена на об'єм, математично це виражається як:

Щільність=Маса/Об'єм

У загальних рисах, щільність описує, скільки матерії втиснуто в певний простір. В об'єкті з високою щільністю маса матеріалу упакована в менший об'єм. Низька щільність означає, що матеріал розпорошений. Отже, матеріал з однаковою щільністю матиме різну вагу, реакцію в навколишньому середовищі та застосування.

Густина вуглецю: Короткий огляд

Щільність цих представників вуглецю сильно варіюється. Різні сфери застосування вимагають різної щільності, залежно від того, як вуглець повинен поводитися і як його використовувати. Розмір окремих атомів вуглецю порівняно з атомами металів, а також щільність різних типів вуглецю. Саме тому графіт, алмаз і аморфний вуглець мають таку різну вагу, що пояснює, чому вуглець є таким "універсальним" елементом.

Різні форми вуглецю та їхня густина

Вуглець зустрічається в декількох формах, кожна з яких має відмінну атомну структуру та фізичні властивості. Розглянемо три відомі різновиди вуглецю: графіт, алмаз та аморфний вуглець.

Графіт

Його атомна структура має шарувату будову, в якій атоми вуглецю з'єднані в плоскі площини. Ці площини можуть легко ковзати одна повз іншу, що і надає графіту його змащувальних властивостей. Він легкий і його легко формувати, оскільки графіт має порівняно низьку щільність - 2,267 г/см3. Це одна з причин, чому його використовують у грифелях олівців, а також як мастило в деяких галузях промисловості.

Діамант

Інший різновид вуглецю, алмаз, відомий своєю твердістю та блиском. У алмазі атоми вуглецю з'єднані у тривимірному розташуванні, завдяки чому утворюється дуже твердий і компактний матеріал. Алмаз має густину 3,515 г/см3, що значно перевищує густину графіту. Ця щільність є однією з причин того, що алмаз є найтвердішим з відомих природних матеріалів, який використовується для різання, свердління та високоточних застосувань.

Аморфний вуглець

Як загальне поняття, аморфний вуглець - це вуглець, який не має впорядкованого розташування на великій відстані (наприклад, графіт або алмаз). Зазвичай він має форму сажі, деревного вугілля та сажі. Аморфний вуглець менш щільний, ніж алмаз, але в більшості випадків щільніший за графіт. Його щільність залежить від форми, але зазвичай коливається від 1,5 до 2,0 г/см3.

Щільність вуглецевої сталі: Вплив на властивості матеріалу

Вуглецева сталь - це універсальний матеріал, який широко використовується в будівництві, виробництві та машинобудуванні. Її міцність, вага та інші механічні властивості залежать від щільності. Розглянемо детальніше, що таке щільність вуглецевої сталі та як вона впливає на її експлуатаційні характеристики.

Вуглецева сталь Щільність кг/м3

Густина вуглецевої сталі варіюється від 7 850 кг/м3 до 8 050 кг/м3. Залежно від складу сплаву і кількості вуглецю в сталі, щільність може дещо змінюватися. Вищий вміст вуглецю призводить до більшої міцності та твердості, але меншої пластичності.

Щільність для вуглецевої сталі фунт/дюйм3

В імперських одиницях щільність вуглецевої сталі становить близько 0,284 фунтів/дюйм3. Це значення дає інженерам можливість вирішувати, як інакше можна працювати з вуглецевою сталлю в системах, де використовуються імперські одиниці.

Застосування вуглецевої щільності

Щільність вуглецю є одним з головних факторів, що визначають його корисність у безлічі застосувань. Розуміння того, як вуглець поводиться в різних структурах, дозволяє промисловості обирати відповідний матеріал для конкретного завдання, підвищуючи ефективність і продуктивність.

Застосування вуглецевого волокна

Це висококомпозитне сімейство матеріалів, що складається з дуже тонких ниток атомів вуглецю, які з'єднані між собою в кристалічну структуру. Воно має низьку щільність (1,6 г/см3) і відмінне співвідношення міцності до ваги, що робить його ідеальним для аерокосмічної та автомобільної промисловості, зокрема. Сьогодні вуглецеве волокно використовується в аерокосмічній галузі, автомобілебудуванні, виробництві спортивного інвентарю і навіть велосипедів високого класу.

Вуглецеве волокно має низьку щільність, що робить його ідеальним для виготовлення легких деталей. Його часто використовують як замінник таких металів, як сталь або алюміній, там, де кожен грам ваги має значення, наприклад, у гоночних автомобілях або літаках.

Застосування графіту

Завдяки своїй низькій щільності та унікальній структурі графіт використовується в найрізноманітніших сферах. Ця властивість означає, що він широко використовується в акумуляторах, а також електрохімічних елементах та електродах. У таких галузях, як виробництво та машинобудування, змащувальні властивості графіту використовуються як сухе мастило. Окрім використання у виробництві сталі, графіт застосовується у виробництві олівців, акумуляторів та у високотемпературних промислових процесах.

Графіт, як тверда речовина з низькою щільністю, легко транспортується і застосовується як у великомасштабних комерційних цілях, так і в менш масштабних споживчих прискорювачах.

Застосування вуглець-вуглецевих композитів

Вуглець-вуглецеві композити складаються з вуглецевого волокна в поєднанні з матрицею з вуглецевого матеріалу. Ці композити пропонують унікальне поєднання високої міцності та низької щільності, що дозволяє використовувати їх для високопродуктивних застосувань, особливо в умовах екстремальної спеки.

Вуглець-вуглецеві композити використовуються в таких аерокосмічних деталях, як ракетні соплаа також у гальмівних системах високошвидкісних поїздів і автомобілів, завдяки своїй толерантності до високої щільності. Вони також надзвичайно стійкі до високих температур без втрати структурної цілісності, що робить їх дуже бажаними в аерокосмічній та автомобільній промисловості.

Властивості та застосування аморфного вуглецю

Аморфний вуглець має кілька застосувань, більшість з яких пов'язані з його змінною густиною. Аморфний вуглець в основному використовується для виробництва технічного вуглецю - матеріалу, який використовується в гумовій промисловості, особливо в шинах. Аморфний вуглець також використовується в аморфних вуглецевих покриттях інструментів і машин для підвищення їх зносостійкості.

Ще однією сферою застосування аморфного вуглецю, завдяки його універсальній природі, є зберігання енергії, де він є життєво важливим для виробництва суперконденсаторів та акумуляторів.

Висновок

Властивості та застосування вуглецю значною мірою залежать від його густини. Кожна з цих численних форм має свою унікальну щільність - графіт, алмаз, аморфний вуглець або вуглецева сталь, - що надає їй свої переваги в різних галузях промисловості. Будь то легка міцність вуглецевого волокна або жароміцність вуглець-вуглецевих композитних матеріалів, знання густини вуглецю дозволить вам помітити, наскільки важливим може бути цей атом.