铅笔芯为什么点不着？

Posted 2022-03-03 卓晴

简 介： 虽然铅笔芯，金刚石中都有碳，但由于微观结构不同，它们在空气中并不会像普通的木炭那样容易被点燃。组成铅笔芯的石墨与金刚石都是热的良导体，但在导电性能方面，石墨是导体，而金刚石为绝缘体。

关键词： 铅笔芯，燃烧，金刚石

 

§01 铅笔芯

---

1.1 铅笔芯的组成

  铅笔芯 （ pencil lead ）是普通铅笔、自动铅笔中用于书写绘图的主要组件。虽然名称中包含有 铅 ，但铅笔芯主要使用 石墨 和 粘土 按照一定的比例混合支撑。粘土的比例越大，铅笔芯越硬，写出的笔迹约轻，反之铅笔芯就越软，写出的笔迹就越黑。

  在博文 铅笔里有铅吗？如果没有，那为啥要叫铅笔呢？ 对于铅笔材料如何从铅演变成石墨的过程进行了梳理。

▲ 图1.1 金属元素铅（Pb）

1.2 铅笔芯可以燃烧吗？

  既然铅笔芯中的石墨成分是碳，与 木炭 、 焦炭 中的 无定形碳 是同一种成分，那么铅笔芯可以燃烧吗？

▲ 图1.1.2 含有碳元素的木炭

1.2.1 石墨是否可以燃烧？

  由于铅笔芯成分中包含有石墨，它是可以燃烧的成分。在 Does graphite burn? 中关于是否是否可以被氧化形成二氧化碳的提问，第一个回复中给出了 石墨自然的温度为730℃，但在 Is Graphite Flammable? Explained 给出石墨不是一个高可燃性的物质，它对应的燃烧温度为 400 摄氏度（752℉）。可以看到石墨点燃温度在不同出处给出数值不一样。在实验中，石墨燃烧形成二氧化碳温度并不是一个固定值，与环境氧气浓度、石墨是精细颗粒还是固态棒状都有关系。同样在Does graphite burn?中有人在分析实验室中测得含有石墨物质的碳粉末在纯氧环境下直道950℃才将石墨转换成二氧化碳。

  正是由于石墨不容易燃烧，但它又具有非常好的化学稳定性、热传导特性，所以石墨可以被制作成 石墨坩埚 用于融化金属。

▲ 图1.2.2 石墨坩埚

1.2.2 电流通过铅笔芯

  在 B站中有很多视频展示了在铅笔芯中通过大电流进而发热发光的过程，发光是因为电能使得铅笔芯温度上升进而产生的热辐射，并不是因为燃烧。

▲ 图1.2.3 电流通过铅笔芯

  下面是在 发光的铅笔芯 展示的 利用十节1号干电池加热铅笔芯的过程。可以看到在大电流所产生的高温下，铅笔芯温度急剧上升，在把内部中一些挥发物质排出之后，铅笔芯开始发出柔和橘红色的光芒。

▲ 图1.2.4 十节1号电池（15V）加热铅笔芯

  铅笔芯在凉的状态下温度大约是3Ω左右，在10节干电池作用下吸收的电功率大约为 75W。

▲ 图1.2.5 利用直流电源点亮铅笔芯

  下面 是在 铅笔芯通电发光（模拟灯泡发光） 展示的通过32V的低压电源点亮铅笔芯的过程。可以看到最后电源输出功率达到了200W，铅笔芯发出耀眼的光芒。

▲ 图1.2.6 利用32V的电源点亮铅笔芯

  注意到低压电压一开始设定的输出电压为32V，接通铅笔芯之后，输出电压跌落到12V左右，输出电流恒定在6.796A。随着铅笔芯发热，输出电压逐步提高，当到达32V之后，输出电流便逐步下降。这个过程说明铅笔芯的电阻随着温度的升高而增加。

  到了最后，电流跌落到3A左右，输出功率也从峰值200W降低到100W。

1.3 不太好燃烧的碳棒

  通过上面网络查询，可以看到铅笔芯在原理上可以在高温下与氧气发生氧化还原反应，产生热与二氧化碳。但与我们常说的燃烧还是相距更远。在停止加热的情况下，铅笔芯在空气中无法因其氧化所产生的热持续燃烧，反而会迅速冷却。

1.3.1 高温下燃烧

  作为碳元素的另外一个同素异形体-金刚石也是可以燃烧，在纯氧气的环境下，文档上升到 690℃ ~ 840℃便可以被点燃。 在 Can Diamonds Burn? 讲解了在普通空气下，如果不持续被加热，金刚石则无法持续燃烧。也想铅笔芯一样迅速冷却，停止化学反应。

▲ 图1.3.1 游标卡尺测量金刚石尺寸

1.3.2 绝缘体

  金刚石与石墨一样是热的良导体，在 Is Diamond a Conductor? 文章中介绍了金刚石另外一个有趣的性质：它居然是绝缘体，这一点与石墨不同，所以它无法在电压作用下发热发光。

  但如果金刚石掺杂有硼元素，则会在低于 绝对温度4K 下形成超导体。

 

※ 总  结 ※

---

  虽然铅笔芯，金刚石中都有碳，但由于微观结构不同，它们在空气中并不会像普通的木炭那样容易被点燃。组成铅笔芯的石墨与金刚石都是热的良导体，但在导电性能方面，石墨是导体，而金刚石为绝缘体。

  为什么当年爱迪生使用碳素纤维做成白炽灯丝，而不使用金刚石。

---

■ 相关文献链接:

• 铅笔芯
• pencil lead
• 铅
• 石墨
• 粘土
• 铅笔里有铅吗？如果没有，那为啥要叫铅笔呢？
• 木炭
• 焦炭
• 无定形碳
• Does graphite burn?
• Is Graphite Flammable? Explained
• 石墨坩埚
• 发光的铅笔芯
• 铅笔芯通电发光（模拟灯泡发光）
• Can Diamonds Burn?
• Is Diamond a Conductor?

● 相关图表链接:

• 图1.1 金属元素铅（Pb）
• 图1.1.2 含有碳元素的木炭
• 图1.2.2 石墨坩埚
• 图1.2.3 电流通过铅笔芯
• 图1.2.4 十节2号电池（15V）加热铅笔芯
• 图1.2.5 利用直流电源点亮铅笔芯
• 图1.2.6 利用32V的电源点亮铅笔芯
• 图1.3.1 游标卡尺测量金刚石尺寸