Uhlík
Uhlík a jeho alotropy V přírodě se uhlík nachází zejména v karbonátových usazeninách, naftě, uhlí, a to jako směs grafitu a amorfní formy C. Rozeznáváme dvě základní krystalické formy uhlíku: a) Diamant b) Grafit - tuha
Diamant Ve struktuře jsou atomy vázány pevnými kovalentními vazbami do plošně centrované kubické mřížky diamant je nejtvrdší přírodní látkou. Je průzračný, lesklý, někdy zabarvený příměsemi. Je nevodivý a do teploty 800 C stálý, poté začíná oxidovat na CO2. Při zahřátí (bez přístupu vzduchu) na 1500 C se mění na grafit. Diamant lze (obtížně) vyrobit z grafitu působením vysokých tlaků a teploty.
Grafit (tuha) Struktura grafitu je tvořena vrstvami uhlíkových atomů. Každý uhlíkový atom je spojen s dalšími třemi atomy uhlíku kovalentními vazbami a vytváří tak síť šestiúhelníků. Roviny jsou mezi sebou poutány slabými van der Waalsovými silami, což má za následek výbornou štěpnost a kluznost grafitu ve směru podél rovin. Čtvrtý, nadbytečný elektron má schopnost pohybovat se po uhlíkových vrstvách, takže se vytváří obdoba elektronového plynu u vodičů. Jednotlivé vrstvy jsou vzájemně posunuty o polovinu šestičlenného kruhu. Grafit krystalizuje v hexagonální struktuře. Dobře vede elektrický proud. Lze s ním psát, neboť při psaní se stírají vrstvy atomů uhlíku. Grafit je málo odolný chemicky i mechanicky.
Krystal grafitu
Amorfní uhlík Amorfní uhlík = saze Významná surovina pro řadu průmyslových odvětví, především pro výrobu technické pryže. Primární částice saze je tvořena jednou částicí saze, na jejíž povrchu jsou paralelně uspořádány C do amorfních šestičlenných cyklů, které jsou promíchány s krystalickými grafitickými strukturami. Průměr primární částice saze bývá zhruba mezi 10 až 100 nm.
Částice saze Schématicky znázorněná struktura sazí
Fullereny a uhlíkové nanotrubičky Fullereny jsou látky složené ze sférických molekul uhlíku tvořených jakousi dutou klecí z mnoha atomů C. Shluky molekul C50 i další (C70, C80) vytvářejí krystaly, tzv. fullerity, které mají krychlovou symetrii. Různé typy stabilních fullerenů:a) C28, b)c32, c)c50, d)c60, e)c70 Fulleren C60
Nanotrubice jsou vlastně podobné struktury jako fullereny, s tím rozdílem, že tvar molekuly místo koule připomíná válec, který může být libovolně dlouhý a vnitřní objem nemusí být uzavřený, popř.může být mnohovrstvený. Pro nanotechnologii jsou fullereny a nanotrubice velmi zajímavé, neboť lze tyto látky připravit v různých modifikacích s odlišnými vlastnostmi. U sférických fullerenových molekul lze například ovlivňovat vlastnosti tím, že je uvnitř uvězněn jiný atom. Tak lze změnit třeba hustotu, tepelnou kapacitu, teplotu tání a varu a přitom je látka co do chemických vlastností.
Uhlíková nanopěna Mikrostruktura připomíná vzájemně pospojované sítě uhlíkových trubiček 5 nm dlouhých. Lze považovat za pátou formu uhlíku. Vznik: Uhlíkový terčík vystavený v argonové atmosféře působení pulzního laseru. Uhlíková pěna vykazuje za normálních teplot časově omezené feromagnetické vlastnosti (což je u látky z čistého uhlíku velmi překvapivé!!!). Kontrastní látka pro zviditelnění průtoku krve tkáněmi metodou jaderné magnetické rezonance. Pro léčbu rakoviny: po vstříknutí látky do nádoru je možné jej zničit lokálním zvýšením teploty po pohlcení infračerveného záření nanopěnou, zatímco okolní zdravá tkáň zůstává nepoškozena.
Uhlíková nanopěna
Uhlíková nanopěna
Uhlík v železe Na vlastnosti technických slitin má nejvýznamnější vliv právě uhlík, neboť uhlík nejvýznamnějším způsobem ovlivňuje důležité vlastnosti slitin železa. Uhlík se železem tvoří intersticiální tuhé roztoky s omezenou rozpustností uhlíku. Po překročení rozpustnosti uhlíku v tuhém roztoku se uhlík vylučuje jako samostatná fáze. Při nízkých obsazích tvoří uhlík intersticiální sloučeninu Fe3C. Tato sloučenina není stabilní a může se rozkládat na grafit a železo. Soustava Fe-Fe3C se označuje jako soustava metastabilní a podle této soustavy tuhnou především oceli. Jestliže je uhlík vyloučen jako grafit, jedná se o soustavu stabilní, která má svůj význam zejména pro posuzování změn při tuhnutí litin a surových želez. cementit Fe3C mřížka ortorombická obsah uhlíku: 6,68% Uhlík v železe grafit intermediální fáze
Rozpustnost uhlíku v železe při pokojové teplotě je prakticky nulová. Fázové složení slitin železa s uhlíkem je proto tvořeno feritem a cementitem v případě metastabilní soustavy, případně feritem a grafitem v případě soustavy stabilní. CEMENTIT Cementit je křehká fáze s tvrdostí 700 až 800 HV. S přibývajícím obsahem uhlíku v soustavě přibývá také obsah cementitu tvrdosti a pevnosti, zároveň ale houževnatost a plastické vlastnosti. Houževnatost a plastické vlastnosti ale také kromě obsahu cementitu závisí na způsobu jeho vyloučení: cementit vyloučený po hranicích zrn (tj.sekundární a terciální) je pokles houževnatosti výrazný i při nižších obsazích uhlíku u perlitické struktury se dosahuje vyšší houževnatosti při malé mezilamelární vzdálenosti cementitu. Sferoidizace (sbalení) lamel cementitu v perlitické struktuře vede ke snížení pevnosti a tvrdosti a ke zvýšení houževnatosti.
GRAFIT (V ŽELEZE) Grafit je měkká a křehká fáze. U slitin zchladlých dle stabilní soustavy má při feriticko-grafitické struktuře obsah uhlíku malý vliv na tvrdost. Pevnost, houževnatost a plastické vlastnosti závisí více na způsobu vyloučení grafitu než na jeho množství: slitiny s grafitem vyloučeným ve formě lupínků jsou křehké k porušení dochází obvykle křehkým předčasným lomem grafit vyloučený ve formě kuliček pevnostní vlastnosti těchto slitin jsou úměrné pevnostním vlastnostem feritu; plastické vlastnosti a houževnatost jsou ale nižší než srovnatelné vlastnosti feritu
Změna struktury způsobená ohřevem
Ocel 1.0301 C10 90% feritu, 10% perlitu 0,10% C
Ocel 1.0032 85% feritu, 15% perlitu 0,15% C
Ocel 1.0401 - C15 80% feritu, 20% perlitu 0,12 0,18% C
Ocel 1.1191 C45E 40% feritu, 30% perlitu, 30% sorbitu 0,42 0,5% C
Ocel 1.1563 Cementitické síťoví 1,2 1,35% C
Ocel 19830 primární karbidy, ferit, globulární perlit 0,9% C žíhání na měkko, nekaleno
Prášková ocel Vanadis30 Drobné sekundární karbidy, sorbitická struktura 1,28% C Zakaleno, popuštěno
Vysokolegovaná ocel 19436 popuštěný martenzit, primární a sekundární karbidy chromu 1,5% C, 12,5% Cr kaleno, popuštěno
LITINY
Šedá litina 0,6515 Lupínkový grafit 3,4 3,7% C
Tvárná litina 0,7040 Zrnitý grafit 3,5 3,8% C
Litina GJV-SiMo 30% kuličkový grafit, 70% vermikulární (červíkovitý) grafit 3,0 3,5% C
Litina GJS-SiMo5-1 80-85% feritu, 15-20% perlitu/sorbitu, kuličkový grafit 3,2-3,6% C
OCEL ČSN 11 523
TZ: Ohřev: 1200 C Chlazeno: voda
TZ: Ohřev: 1000 C Chlazeno: voda TZ: Ohřev: 800 C Chlazeno: voda TZ: Ohřev: 900 C Chlazeno: voda
TZ: Ohřev: 1200 C Chlazeno: olej
TZ: ohřev:1000 C, chlazeno:olej TZ: ohřev:900 C, chlazeno:olej TZ:ohřev:800 C, chlazeno:olej
TZ: Ohřev: 1200 C Chlazeno: vzduch TZ: Ohřev: 1200 C Chlazeno: pec
TZ:ohřev:1000 C, chlazeno:pec TZ:ohřev:900 C, chlazeno:pec
TZ: Ohřev: 800 C Chlazeno: pec TZ: Ohřev: 750 C Chlazeno: pec
TZ:ohřev:800 C, chlazeno:vzduch TZ:ohřev:900 C, chlazeno:vzduch TZ:ohřev:750 C, chlazeno:vzduch