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。

01 铅笔芯

1.1 铅笔芯的组成

  铅笔芯[1] （ pencil lead[2] ）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[3] ，但铅笔芯主要使用 石墨[4] 和 粘土[5] 按照一定的比例混合支撑。粘土的比例越大，铅笔芯越硬，写出的笔迹越轻，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？[6] 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[7] 、 焦炭[8] 中的 无定形碳[9] 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？

  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[10] 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[11] 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2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）[12] 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?[13] 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。也像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?[14] 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。