Файл: Вишневский Л.Д. Под знаком углерода. Элементы IV группы периодической системы Д. И. Менделеева пособие для учащихся.pdf

роды. Интенсивная деятельность человека, связанная с производством материальных ценностей, может привести к загрязнению водных бассейнов. Применение активиро­ ванного угля для очистки сточных вод промышленных предприятий позволяет получить их бесцветными или зна­ чительно осветленными.

Активированный уголь применяют также в качестве носителя различных катализаторов. Использование акти­ вированного угля как основы улучшает распределение и предотвращает спекание катализаторов. Этим достигает­ ся и экономия дорогих каталитических добавок (платины, палладия и др.). Во многих химических производствах активированный уголь сам является катализатором.

В медицинской практике активированный уголь при­ меняют при желудочно-кишечных заболеваниях и отрав­ лениях для поглощения вредных веществ.

Сажа. Свыше 80% всей вырабатываемой сажи расхо­ дуется на усиление резиновых смесей. Введение сажи в резиновую смесь позволяет в 10—-15 раз повысить меха­ ническую прочность резины. Такое повышение механиче­ ской прочности и называют усилением резины. В составе черных резин, идущих главным образом на производство автомобильных шин, сажа занимает до 30% по массе. Сажа находит применение при изготовлении высококаче­ ственных черных лаков, красок и туши, которые исполь­ зуются в малярном, типографском и кожевенном произ­ водствах.

Кокс. Кокс производится главным образом для ме­ таллургических целей. В доменном и литейном производ­ ствах он является и топливом, и восстановителем. Как горючее кокс применяется при выплавке чугуна и в пла­ вильных шахтных печах при изготовлении чугунного ли­ тья, а также для отопления. Как восстановитель кокс используется в производстве чугуна и для выплавки цвет­ ных металлов из руд. Он же выполняет роль покровного слоя, предохраняющего расплавленный металл от окис­ ления. Из кокса изготовляют электроды, используемые в производстве цветных металлов, легированных ста­ лей и др. Для фильтрования воды на водоочистительных станциях и изготовления насадок скрубберных башен, также применяют кокс.

Упорно ведутся поиски новых углеродных материалов. Углерод, имеющий стеклоподобное строение, — типичный пример аморфного углерода. В стеклоуглероде сочетают­

126

ся три типа связей — графитовая, алмазная и карбиновая. Стеклоуглерод обладает повышенными жаропрочно­ стью и коррозионностойкостыо.

Графит, Способность графита легко расщепляться на тонкие чешуйки, прилипающие к бумаге и тканям, ис­ пользуется в производстве карандашей и особо устойчи­ вой черной краски. Для производства карандашей графит смешивают с глинойЧешуйчатость графита используется п при применении его в качестве смазочного материала.. Порошок графита (коллоидный графит) в смеси со сма­ зочными маслами служит для смазки трущихся частей различных механизмов. Опасность взрыва при сжатии агрессивных газов, высокие температуры, применение вы­ сокого давления и глубокого вакуума исключают приме­ нение минерального масла. В этих случаях использова­ ние смазки из графита решает проблему работы механиз­ мов без смазки минеральными маслами.

Интересно первое применение графита для смазки. Русский механик и изобретатель Иван Петрович Кулибин в 1895 г. применил графит для смазки механизмов «подъ­ емных и опускных кресел». Это предки современных лиф­ тов, которые поднимали и спускали престарелую импе­ ратрицу Екатерину II. В те времена минеральных масел еще не было, а животный жир нельзя было применить в Зимнем дворце из-за его «дурного запаха».

Графит — самое жаропрочное из всех простых ве­ ществ. Его точка плавления находится около 4000°С. Ог­ нестойкость и химическая инертность графита использу­ ются при изготовлении различных огнеупоров: изготов­ лении графитовых тиглей для плавки металлов, футе­ ровке печей и т. д. Графит, как и благородные металлы, не боится кислот и может заменить платину. Кроме того, графит прекрасно проводит тепло. Это позволяет широко применять его для изготовления различной химической аппаратуры. Эти же свойства обеспечили графиту при­ менение в реактивной технике. Из графита, например, де­ лают рули, работающие в зоне пламени сопла ракетного двигателя, и некоторые детали космических кораблей.

Высокая пористость графита (от 20 до 30%) позволя­ ет использовать его для фильтровальных установок и раз­ личных насадок абсорбционных башен. Графит, пропи­ танный различными смолами и лаками, применяют для непроницаемых деталей химического оборудования.

Так как графит обладает хорошей электропроводно-

127

Цепная реакция деления ядер урана под воздействием нейтронов протекает наиболее . эффективно при низких скоростях. Необходимо также устройство отражателей — экранов, уменьшающих вылет нейтронов из реакторов. Для' этого в атомной технике используется способность графита отражать нейтроны и замедлять их движение. Нейтроны, сталкиваясь с атомами углерода, теряют часть своей энергии, и скорость их движения уменьшается (рис. 40). В атомной технике используется только искус­ ственный графит, полученный длительной термической обработкой нефтяного кокса при температуре около 3000°С. Этот графит очень чист, содержание углерода в нем достигает 99,99%. Графит находит широкое приме­ нение при производстве плутония. Из графита изготов­ лены кассеты для тепловыделяющих элементов в ядерных реакторах — преобразователях тепловой энергии в электрическую.

В последнее время получили распространение графитизированные чугуны, стали и сплавы. В их структуре есть микрокристаллический графит. При графитизации возможно образование графита и в шаровидной форме. Высокопрочный чугун с шаровидным графитом получил

.128

алмазы при бурении твердых пород. Алмазное бурение осуществляется двумя типами инструментов: коронками и долотами. Коронка—это стальной корпус с прикре­ пленными алмазами и с резьбой для навинчивания на бурильную трубу. На одну коронку расходуется от 5 до 30 каратов синтетических алмазов. Алмазное долото — это массивная стальная головка со сложной-рабочей поверх­ ностью, с выступающими наружу алмазами (рис. 41). Рас­ ход алмазов на алмазное долото— 1000 каратов и более. Инструменты очень дорогие, но они способны показывать рекорды производительности и износостойкости. Для бу­ рения твердых пород ежегодно расходуются десятки миллионов каратов алмазов.

С каждым годом появляется все больше и больше твердых металлов и сплавов, которые нельзя обработать лучшими резцами из твердых сплавов и быстрорежущей стали. На помощь им пришел алмазный резец. Сравни­ тельные данные красноречиво свидетельствуют о преиму­ ществах алмазного резца. Необычайная износостойкость, высокая скорость резания и меньшая стоимость обработ­ ки характерны для алмазных резцов при сравнении их с другими резцами.

Не потеряли до сих пор своего значения и всем из­ вестные алмазные стеклорезы. Для их изготовления при­ годны самые крохотные алмазики и их осколки. Подсчи­ тано, что алмазный стеклорез с алмазом в карат может нарезать 1000 км оконного стекла.

Высокая стойкость алмаза против истирания исполь­ зуется в технике волочения (протягивание через отвер­

стие) металлов. Современная техника применяет тонкие нити многих твердых (сталь, нихром, молибден), полу­ твердых (латунь, бронза, никель) и мягких (медь, сереб­ ро) металлов и сплавов. Миллионы километров вольфра­ мовой нити строго заданной толщины необходимы элект­ ротехнической промышленности.

Просверленный с помощью электрической искры пли ультразвука алмаз—алмазная волока — закрепляют в надежной оправе. Волока применяется для протягивания проволоки толщиной от нескольких микронов до несколь­ ких миллиметров. Бесспорны преимущества алмазных во­ лок перед твердосплавными волоками, и тем более стальными. Для изготовления алмазных волок расходу­ ется около 3 млн. каратов алмазов в год.

Алмазные волоки применяют не только для прокатки металлов, но и для протягивания волокна. После прокат­ ки через алмазную волоку нить приобретает равномер­ ную толщину, особую гладкость и скользкость. Изготов­ ленная из таких нитей ткань не слипается. Где эти свойства могут найти применение? Например, в авиации. Парашют из такой ткани раскроется без помех. Планер, изготовленный с применением особо гладких тканей, об­ ладает большей скоростью и т. д.

Нашел применение алмаз и в металлообрабатываю­ щих цехах. Распространение получило алмазное шлифо­ вание и полирование кристаллом алмаза массой от 0,5 до 1 карата изделий из особо твердых сплавов. При этом по­ вышается чистота и упрочняется поверхность обработки.

Растущее производство твердых инструментальных сплавов и потребность в них потребовали изготовления особых режущих инструментов для их заточки. Порошко­ образный алмаз — отличный абразивный материал для заточки и доводки твердосплавных резцов, фрез, сверл, штампов и т. д. Алмазный абразив применяется и для резки, шлифования и полирования современных сверх­ твердых материалов. В качестве абразивного материала для доводки .различных изделий применяется алмазная паста.

Кроме перечисленных областей применения, алмаз используется и в других отраслях современной техники. В определенных условиях алмаз может стать полупро­ водником. Он стойко работает при 700°С—температуре, значительно превышающей интервалы применения крем­ ниевых и германиевых полупроводников. На этом не кон­

130

чается применение алмаза в полупроводниковой технике. Полупроводниковые кремний и германий (чистота 99,9999999%) подлежат сверхстерильной распиловке для изготовления транзисторных заготовок массой в несколь­ ко десятков миллиграммов. Сверхчистоту распила полу­ проводников с одновременным увеличением выхода гото­ вой продукции и производительности дают алмазные ди­ сковые пилы. Сверхчистота обеспечивается ничтожной истираемостью алмаза и его «личной» чистотой. Выход увеличивается в результате уменьшения канавки распи­ л а — ведь алмазная дисковая пила тонка, как бумага. Понятно и увеличение производительности, так как ни одни абразивный материал не в состоянии конкурировать с алмазом.

Опоры вращающихся осей особо точных приборов из­ готовлены из алмазов. Часы, хронометры, точные измери­ тельные приборы и т. д. обязательно содержат «камни» — опоры. На циферблатах ручных и карманных часов ука­ зано число таких опор: ведь от них зависит точность хода. В 11, 15, 18 и 23 камнях закреплены оси современ­ ных часов. С 1964 г. большинство камней изготавливают из синтетических алмазов. Десятки миллионов часов и из­ мерительных приборов с десятками камней производит за год наша промышленность. Таков объем еще одного применения алмазов.

Игла из алмаза является составной частью приборов для контроля профиля поверхности. Такие приборы со сложным названием «профилографпрофилометр» вы­ пускает завод «Калибр».

Применение алмазов и бриллиантов (алмазов, под­ вергнутых огранке) в качестве драгоценных камней не потеряло значения и в наши дни. 5—7% мировой добычи алмазов идет на изготовление украшений и пополнение государственных и частных сокровищниц. Собранию дра­ гоценных камней и ювелирных' изделий нашей страны, учитывая их огромное художественное и научное значе­ ние и большую материальную ценность, в 1922 г. было присвоено наименование Алмазного фонда РСФСР, а по­ зднее— Алмазного фонда СССР. Один из алмазов этого фонда — алмаз «Шах» (рис. 42) — имеет удивительную историю. Его масса 88,7 каратов, он найден в Восточной Индии в 1591 г. Алмазом владели многие правители. По­ следний владелец — персидский шах Хозрев-Мирза,— чтобы умилостивить царя Николая I за убийство в 1829 г.