[科普中国]-碳电弧

碳电极之间产生的电弧。

虽然碳电极或石墨电极间产生的电在弧一般特性上区别较小，但是由于碳及石墨电极材料的物理性质，特别是导热性不同，因而利用碳或石墨作支持电极时，对试样的选择挥发产生不同的影响。碳的导热性较低，碳电极的温度梯度比石墨电极小，因而碳的燃烧率和挥发率高得多。在碳电极激发条件下，试样的完全挥发时间短，相反地，在石墨电极条件下呈现出较显著的选择挥发现象。碳电弧在空气中燃烧时，碳与空气中氮化合所产生的氰分子，因激发而发射氰带。为了减小或消除氰带的干扰，可将碳电极置于无氮的控制气氛中燃烧。1

原子发射光谱法中的碳电极与碳电弧在发射光谱法中，样品一般可直接置于光源中，使其转化为蒸气、原子化，并激发出它们的光谱；亦可利用化学（或物理）方法将其转化为溶液或气体，再引入光源。对直流电弧，最常用的方法是将粉末状样品直接装入碳电极孔穴中进行蒸发，相应的电弧放电即为碳电弧。

碳电极有金刚石和石墨两种晶形，除金刚石本身外，一切的碳都有层状的石墨结构。光谱分析用石墨和碳电极都是石墨结构碳，但前者是有定向的而后者是无定形的。石墨电极质较软，易于机械加工，导电导热性较好，电极端温度低。碳电极较坚硬，比较难加工，导电导热性较差，电极端温度较高。任何种晶形碳在温度达3600℃时便会升华。

电极的形状根据分析任务和方法而定，其类型很多，但对于非导体粉末样品分析最常使用的几种炭（或石墨）电极形状如下图所示。不同的电极形状，将显著影响电极头温度及电极的温度分布。在电弧放电条件相同的情况下，电极孔径越大，孔壁越厚，电极头温度越低，反之越高。对于颈式电极，由于减少了热传导，电极头的温度比一般电极高。孔穴中央带有极芯的电极，可使电弧放电更稳定。小孔径电极，应用在阴极层激发时，能有效地增强易挥发元素的分馏效应。2

碳电弧弧焰特点在燃弧和电极加热以后，碳电极孔中的固体试样迅速熔化，形成熔滴，物质蒸发，并进入弧焰。起初可看到进入电弧的物质数量迅速增加，之后由于熔滴的表面积减少而数量降低。石墨表面未被湿润的，和在蒸发过程中成分未改变的物质蒸发曲线的特性列示于下图。物质从相当深的孔穴中蒸发之前，发生电弧“空白”燃烧，此时电极逐渐烧光，孔底也就接近电极末端。物质随着电弧。有效燃烧”不断进入电弧，因为在燃烧过程，中试样及孔底的温度随燃烧速度而升高，所以物质的进入亦随之加快。电弧的空白燃烧是不希望出现的，但电极孔越深、孔壁越厚、电流强度越小，空白燃烧值也就越大，但这也取决于元素化合物的性质。

试样的蒸发是与物质化学成分逐渐改变的复杂过程、元素进入放电区的速度变化和分馏过程同时发生的。不研究元素的蒸发过程和元素光谱的激发，以及影响这些过程的原因，不可能正确提出定量测定土壤和植物灰分中元素的方法。3

吹气碳电弧切割和刨削吹气碳电弧切割和刨削利用碳石墨电极与待加工金属间弧光放电的热量来熔化金属，从而切割或去除金属。压缩空气流将熔化的金属吹离切缝或槽口。而它最常用的是焊接准备工作；除去有缺陷的焊缝；拆卸容器和钢结构时除去焊缝和附件；从铸件上除去浇口、冒口和缺陷。该工艺可以切割几乎所有的金属因为它不靠氧化来维持切割过程。一个夹具夹紧碳石墨电极在平行于吹气流的位置上，气流从电极夹具的孔中流出，吹走电弧后立即熔化的金属。电极夹具上有一个气流控制阀、一个气嘴、一根电缆线。电缆与焊机连接；气嘴与压缩气源连接。填土所示为吹气碳电弧切割的原理。

等离子弧切割能用于任何金属的切割。最主要用于碳素钢、铝和不锈钢。它还能用于叠层板的切割、在中厚板上开出坡口、仿形切割和开孔。在叠层板切割时，钢板应该尽量夹紧在一起。然而，与氧气切割相比，等离子弧切割一般可以容许碳素钢板之间有相对宽些的缝隙。当等离子弧切割速度较高时，顶板的变形就小。几块厚1.5~6mm（1/16~1/4in）的板，叠起来切割比较经济。

仿形切割时，等离子弧切割炬被装在仿形机上，与氧气切割时的形式类似。等离子弧仿形切割机的运行速度一般高于氧气仿形切割机。由于切割作用会产生的烟气和热量，所以等离子弧仿形切割机有时会使用水台。但水只是接触钢板的底部，当切缝底部出现烟气、熔渣和渣滓时立即清除。水台还有助于降低噪声。

吹气碳电弧刨削的低热输入，可以使该工艺理想地用于在高强度钢材上做焊接准备和焊缝去除。该工艺中，基体金属的温度上升很少，在大多数情况下仅约80℃（150℉）。4

本词条内容贡献者为:

王伟 - 副教授 - 上海交通大学