炭素は、ダイヤモンドから鋼までのすべてに見られる基本的な要素です. 自然と生活科学において重要であるだけでなく、工学にも重要です, 製造業, および材料科学. 炭素がさまざまな形でどのように振る舞うかを定義する最も重要な物理的特性の1つは、 密度.
この記事は深く潜ります 炭素の密度, さまざまなカバーをカバーします 同盟, 炭素ベースの合金, 影響要因, 測定方法, もっと.
カブロンとは?
炭素はさまざまな形で存在します - どちらも純粋な元素構造として (呼び出されました 同盟) の一部として 合金 鋼などの産業材料. これらの異なる形式の構造は大きく異なるため、 密度.
多くの形態で炭素の密度を理解することはエンジニアに役立ちます, 化学者, デザイナーは適切なアプリケーションに適した素材を選択します, 特に強さ, 重さ, または導電率が重要です.
炭素の同種の密度
同盟は、同じ要素の異なる構造形態です. 炭素用, 同盟には、ようなよく知られた形式が含まれます ダイヤモンド, 黒鉛, グラフェン, そして カーボンナノチューブ, とりわけ.
これは、さまざまな炭素同盟の密度を要約するテーブルです:
| 同素体 | 密度 (g/cm3) | 主な特徴 |
| ダイヤモンド | 3.51 | 四面体構造; 最も硬い天然素材, 優れた絶縁体 |
| Lonsdaleite (ヘックスダイヤモンド) | 3.41 | ダイヤモンドに似ています; met石の衝撃で形成されます |
| グラフェン | 2.31 | 単一原子の厚さの炭素層; 例外的な導電性と柔軟性 |
| 黒鉛 | 2.10 | 層状の平面構造; 電気を実施します; 潤滑剤と鉛筆で使用されます |
| アモルファス炭素 | 1.90 | 石炭のような非結晶形, すす, またはカーボンブラック |
| フル (C60) | 1.71 | 球体やチューブのような形状の分子; 優れた電子アクセプター |
| Buckminsterfullerene | 1.70 | サッカーボール型分子; 電気を実施します, 潜在的な医療用途 |
| カルボフェン | 1.42 | 2d混合リング形状の共有共有オーガニック構造 |
| カーボンナノチューブ | 1.35 | 円筒形のナノ構造; 高い引張強度と熱伝導率 |
🧪 注記: 炭素原子が結合して配置される方法のため、同盟は異なります, それらは同じ要素から作られていますが.
炭素合金の密度
炭素もさまざまなものに見られます 金属合金, 特に 炭素鋼, これは、その強さと手頃な価格のために建設と製造の主食です.
| 炭素合金 | 密度 (g/cm3) | 備考 |
| 炭素鋼 | 7.8 – 8.1 | 基本的な構造鋼, 強くて汎用性があります |
| 低炭素鋼 | 7.8 – 8.1 | 炭素が少ない, より延性と溶接可能 |
| 中炭素鋼 | 7.8 – 8.1 | バランスの取れた強さと靭性 |
| 高炭素鋼 | 7.8 – 8.1 | とても難しい, ツールとスプリングで使用されます |
🔍これらの密度は、 鉄およびその他の重元素 合金で.
炭素の密度に影響する要因
炭素の密度, 特に複合材と繊維の形で, 複数の要因によって異なる場合があります:
➤ 原子構造
結晶または格子構造は、原子がどれだけしっかりと詰まっているかに影響します. よりタイトボンド (ダイヤモンドのように) より高い密度になります.
➤ 製造方法
高温または高圧の製造は、構造をさらに圧縮できる可能性があります, その結果、密度の高い炭素材料が生じます. 例えば, 焼結炭素は、成形炭素よりも高い密度を持っています.
➤ 炭素繊維の種類
炭素繊維は、標準グレードから高モジュールまでさまざまです. 密度はからです 1.75 g/cm3 から 1.93 g/cm3, ファイバーのアライメントと純度に応じて.
➤ 樹脂とバインダー
炭素複合材料, 追加された樹脂またはマトリックス材料も最終密度に影響します. エポキシ樹脂は、体積比に応じて密度を増加または減少させる可能性があります.
炭素密度の測定方法
炭素の密度を測定するには、直接的な技術と間接的なテクニックの両方が含まれます. 各メソッドは、炭素サンプルのフォームと意図した使用に基づいて選択されます.
🔹超音波測定
非破壊的な方法.
素材を通して音の速度を測定します.
繊維強化または複合炭素に使用されます.
🔹視覚的な火花分析
炭素サンプルを粉砕することによって作成されたスパークパターンを観察します.
主に冶金と品質管理で使用されています.
🔹赤外線吸収
酸素で炭素を燃やし、ガスの放出を分析します.
正確ですが時間がかかります.
🔹 X線蛍光 (XRF)
非侵襲的, 放射を使用して組成を分析します.
粉末または表面の炭素材料に共通.
🔹 光学放出分光法 (OES)
電気アークを使用してサンプルを蒸発させます.
素早い (〜30秒), しかし、表面汚染は精度に影響する可能性があります.
結論
炭素の密度は固定されていません. それ 大きく異なります そのフォームに基づいて - から 軽量ナノ構造 に 密な結晶固体 ダイヤモンドのように. フォーム, 処理方法, および添加物 (合金または複合材料の場合) すべてが最終密度に影響します.
炭素密度がどのように、そしてなぜ変化するかを理解することにより, エンジニアと科学者は、 航空宇宙, エレクトロニクス, バイオメディシン, そして 工事.
よくある質問
1. 純粋な炭素はどれほど密度が高いか?
平均があります 2.2 g/cm3, しかし、同種によって異なります.
2. 密度は原子量と同じです?
いいえ. 原子量 〜12.011 uです, その間 密度 質量/体積です (例えば, g/cm3).
3. 密度が高または低い炭素です?
炭素は中距離です。リチウムのような要素よりも密集しています (0.53 g/cm3), しかし、鉄や銅などの金属よりも密度が低い.
4. 炭素12の密度は何ですか?
だいたい 2×10¹⁷kg/m³ 極端な圧縮の下, 天体物理学のコンテキストなど.
5. 炭素-14の密度は何ですか?
カーボン12に似ています: その周り 2.2 g/cm3 物質的な形で.
6. どの同種ロープが最も高い密度を持っています?
ダイヤモンド, で 3.51 g/cm3, 自然に発生する炭素形態の中で最も密なものです.
7. 炭素密度をどのように計算しますか?
使用:
密度 = 質量 / 音量
ユニットには通常、g/cm³またはkg/m³が含まれます.
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