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カーボン入門のカーボンとは

カーボンとは

カーボンは同素体であり同位体です。炭素原子の結びつき方で色々な特性があります。
「カーボンとは」では、同位体と、同素体よりカーボンの紹介を致します。
炭素原子についての入門編です。

カーボンの同位体

炭素原子の同位体は、炭素8から炭素22までの15種類が知られております。
炭素12、炭素13、炭素14の3つの天然同位体が存在しており、炭素12と炭素13は安定して存在しています。 炭素14は大気上層で宇宙線からの熱中性子の影響で作られて、地面に落ちてきます。 落ちてきた炭素14は、生物に吸収されます。死んだ肉体には吸収されません。
この炭素14は、人体や生物に影響を与えない低レベルの放射能を発生します。 炭素14の放射線が半減するのに5700年必要です。
そこで放射能量を測定する事で、その生物が何年前に生きていたかを測定する事ができます。
遺跡発掘から出土した物や化石から、何年前の物かを計測する事に役立てられています。

カーボンの同素体

炭素原子は腕が4本あり、他の原始と結びつきます。
炭素原子のみで構成される物質は、4本の腕の結びつきの違いにより、特性が変わります。
結合の状態によって数種類の他物質を形成できる事を「同素体」といいます。

ダイヤモンド

ダイヤモンドは電気を通しません。
ダイヤモンドはモース硬度が10あり、天然に存在する物質で実用できるもので一番硬い材料といわれています。
熱伝導率は高く1000~2000(W m−1 K−1)あります。
硬い材料なので、研磨剤や砥石の原料として使われています。
日本では、工業用に使われる人造ダイヤを、住友電気工業株式会社さんが作られています。
スワロフスキーが人造ダイヤを使った宝石を作られております。 市場に人造ダイヤが沢山出回る事で、人造ダイヤモンドの価格が下がる事が期待されています。

ダイヤモンドの結晶構造
ダイヤモンドの結晶構造

ロンズデーライト

ダイヤモンドを立方晶ダイヤという言い方をすると、六方晶ダイヤと言われるロンズデーライトがあります。
炭素原子が六方晶の構造なので、純粋なロンズデーライトであれば、ダイヤモンドよりも58%も高い硬度を持つことが計算により予想されています。 それは、ロンズデーライトは不安定であり、地球上には隕石痕など非常に限られた場所でしかみつかっていないためです。 0.1 mmを超える大きさのロンズデーライトの単結晶は存在しないことから、まだ判っていない事が多い材料です。

ロンズデーライトの結晶構造
ロンズデーライトの結晶構造

グラファイト

層状の六方晶構造で、層内の炭素同士の結合は、ロンズデーライトと同じなので結合は硬いとされています。
しかし、層同士の結合が弱く、モース硬度は1~2程度で柔らかい材料です。
そして、グラファイトは電気を通す材料です。
グラファイトの特性については「カーボンソリッド材の特性」 もご覧下さい。

グラファイトの結晶構造
グラファイトの結晶構造

フラーレン

写真はフラーレンC60と言われる、60個の炭素原子からなる分子です。 他にも、C70やC540といった同素体の材料も見つかっています。
フラーレンも六方晶構造で、強固な球体となっています。
フラーレン単体では、潤滑剤としての利用がされています。
日本では産業用分野のフラーレン、フラーレン誘導体を大量製造されているフロンティアカーボンさんという会社があります。 フラーレンの応用で「カーボンナノカプセル」や「フラーレンポリマー」も開発されています。
また「ダイヤモンド・ナノロッド凝集体」や「超硬度ナノチューブ」が開発されており、通常「ハイパーダイヤモンド」といわれています。 この材料はダイヤモンドの3倍の硬度があり、どちらも「ナノダイヤモンド」と分類されています。

フラーレンの結晶構造
フラーレンの結晶構造

カーボンナノチューブ

カーボンナノチューブは、六方晶構造のグラフェンが円筒に繋がりチューブ状になったものです。 ナノチューブの結晶構造は3種類見つかっております。筒の一方が閉じた角状のものをカーボンナノホーンといいます。
カーボンナノチューブも六方晶構造なので非常に強固な材料です。
近年、カーボンナノチューブを効果的に分散化される技術をもつ会社が見つかり、従来の自動車部品のバンパーやフェンダー部分以外への応用が期待されています。

カーボンナノチューブの結晶構造
カーボンナノチューブの結晶構造

無定形炭素

上記にあげた、規則正しい結晶構造を持たない材料を、無定形炭素といいます。 無定形炭素はダイヤモンドやグラファイトの分子構造が、不規則に繋がっていたり、他の原子が混入しています。
一般的な無定形炭素は、バーベキューなどに使う炭です。
工業用の無定形炭素で有名なものは「ダイヤモンドライクカーボン」です。 ダイヤモンドの結晶構造を中心に、水素原子を結びつけて作られます。水素原子が多いと「水素化アモルファスカーボン」といい、 水素原子が少ない場合は「テトラヘドラル アモルファス カーボン」といわれ、強度や滑り性が変わります。
2015年にノースカロライナ州立大学の研究者らによって発表された、アモルファスカーボンの次世代材料「Qカーボン」がこれからの注目材料です。

無定形炭素の結晶構造の例
無定形炭素の結晶構造の例

カーボンとはでは「カーボンの同位体」と「カーボンの同素体」を紹介させていただきました。
カーボンという材料は、携わられる分野により全く違う材料であり、違った特性を持ちます。
次の「カーボンの違い」では、弊社取扱いのカーボン(黒鉛グラファイト)と、 一般の方が自動車や自転車部品としてよく知られているカーボン(CFRP)の違いを紹介致します。

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