Grafito VS Fibra de Carbono: Una comparación exhaustiva

En el campo de la ciencia de materiales, el grafeno y la fibra de carbono tienen excelentes propiedades y desempeñan un papel importante en muchos campos, desde el aeroespacial hasta la vida cotidiana. Conocer en profundidad sus propiedades, aplicaciones y dinámica del mercado es de gran importancia para promover el desarrollo de la ciencia de los materiales.

Descripción básica del grafito y la fibra de carbono

Grafito

Structura

Tiene una estructura cristalina en capas típica. Cada una de sus capas está conectada por enlaces covalentes entre átomos de carbono, formando una estructura de red plana hexagonal. Esto hace que la fuerza de unión entre los átomos de carbono de la capa sea fuerte. Las capas interactúan entre sí mediante fuerzas de Van der Waals más débiles. Esta estructura única le confiere muchas propiedades especiales, como una buena lubricidad. Como la fuerza de Van der Waals entre las capas es débil, éstas se deslizan fácilmente unas respecto a otras. Al mismo tiempo, también tiene cierta conductividad eléctrica, y los electrones pueden moverse con relativa libertad dentro de la capa.

El proceso de producción

Su proceso de producción suele ser más complicado. Suele utilizar coque de petróleo y coque de asfalto como materias primas. Primero, hay que pretratar estas materias primas para eliminar impurezas. A continuación, se calcina a altas temperaturas para que se grafite inicialmente. A continuación, se procede a su molienda, conformado y otros procesos para darle la forma deseada. Por último, también es necesario realizar un tratamiento de grafitización a alta temperatura para mejorar aún más la pureza y la cristalinidad del grafito. Generalmente, este proceso de alta temperatura puede alcanzar 2500℃ -3000 ℃, con el fin de obtener materiales de grafito con un rendimiento excelente.

Fibra de carbono

Structura

Se trata de una fibra de alta resistencia y alto módulo con un contenido de carbono superior a 90%. Desde la perspectiva de la microestructura, la disposición de los átomos de carbono de la fibra de carbono tiene una orientación determinada. Esto muestra una estructura caótica similar a la del grafito, lo que hace que tenga una gran resistencia y módulo. Los átomos de carbono de la fibra de carbono se unen principalmente mediante enlaces covalentes para formar un marco estructural estable.

El proceso de producción

Generalmente se basa en fibra de poliacrilonitrilo (PAN), fibra de asfalto o fibra de viscosa. Tomando Fibra de carbono a base de PAN como ejemplo, el proceso de producción comienza con la polimerización e hilado del filamento precursor. El monómero de PAN se polimeriza en un polímero, y la fibra se fabrica mediante el proceso de hilado. A continuación se lleva a cabo el tratamiento de preoxidación, y se oxida y reticula la fibra de PAN al aire a 200℃-300℃. Formar una estructura trapezoidal resistente al calor para preparar la posterior carbonización. A continuación, el tratamiento de carbonización, bajo la protección de 1000℃ -1500℃ de gas inerte, elimina los átomos que no son de carbono en la fibra. De modo que el contenido de carbono alcance más de 90%. Por último, llevar a cabo la grafitización de acuerdo a las necesidades. Y mejorar aún más la cristalinidad y el módulo de la fibra de carbono a altas temperaturas por encima de 2000 ℃ para mejorar su rendimiento.

Comparación de las propiedades del grafito con las de la fibra de carbono

Propiedades mecánicas

Fuerza

La resistencia de la fibra de carbono es extremadamente alta, la resistencia a la tracción de la fibra de carbono de alto rendimiento supera los 3500MPa, y la fibra de carbono especial supera incluso los 7000MPa. Suele utilizarse en la industria aeroespacial y en otras piezas estructurales que soportan grandes fuerzas de tracción. Debido a la débil fuerza de van der Waals entre las capas, el grafito es fácil de deslizar. Y la resistencia a la tracción del grafito ordinario es sólo de decenas de MPa, inferior a la de la fibra de carbono.

Módulo

El módulo de la fibra de carbono es alto, generalmente en el 230-480GPa, el alto módulo de más de 600GPa. La deformación de la fuerza es pequeña, la estabilidad de la forma es buena. El módulo del grafito suele ser de varios GPa a decenas de GPa, y la resistencia a la deformación es mucho peor que la de la fibra de carbono. Resulta difícil aplicarlo en escenarios con elevados requisitos de deformación.

Propiedades físicas

Densidad

La densidad de la fibra de carbono es de 1,7-2,0g /cm³. Es un material ligero con ventajas evidentes en el campo de la aeronáutica y la automoción ligeras. La densidad del grafito es de 2,09-2,23 g/cm³, ligeramente superior a la de la fibra de carbono. Y su aplicación está limitada en escenarios con estrictas restricciones de peso.

Conductividad eléctrica

Conductividad del grafito de 10⁴ – 10⁵ S/m, comúnmente utilizado en el campo electrónico como electrodo de baterías, escobillas, etc. La fibra de carbono tiene una conductividad eléctrica relativamente baja de 10² -10⁴ S/m. Pero se puede mejorar mediante un tratamiento especial para satisfacer necesidades específicas.

Conductividad térmica

El grafito tiene una buena conductividad térmica y anisotropía, y la conductividad térmica de la capa paralela alcanza cientos de W/(m-K). Se suele utilizar en disipadores de calor de equipos electrónicos. La conducción térmica de la fibra de carbono también es anisótropa. La conductividad térmica a lo largo del eje de la fibra es de 100-800 W /(m-K), y la dirección vertical es de sólo 5-20 W /(m-K).

Propiedades químicas

Resistencia a la corrosión

El grafito tiene una buena resistencia a la corrosión, puede resistir la mayor parte de la erosión ácida y alcalina. Se puede utilizar en la industria química para fabricar tuberías y revestimientos de reactores resistentes a la corrosión. La fibra de carbono es estable en el entorno químico general y puede soportar las soluciones ácidas y básicas comunes. Pero en entornos especiales, como ácidos oxidantes fuertes, las reacciones químicas pueden provocar una degradación del rendimiento.

Resistencia a la oxidación

El grafito y la fibra de carbono tienen una buena resistencia a la oxidación a temperatura ambiente. Sin embargo, a medida que aumenta la temperatura, el grafito reacciona obviamente con el oxígeno por encima de 400℃. Y la fibra de carbono presenta un fenómeno de oxidación evidente en torno a 300℃, lo que limita su aplicación en entornos aeróbicos de alta temperatura. Pero el tratamiento de revestimiento de la superficie se puede mejorar en cierta medida.

Comparación de los campos de aplicación: grafito frente a fibra de carbono

Campos de aplicación del grafito

En la industria metalúrgica, como material refractario, como el crisol de grafito puede soportar altas temperaturas y la erosión química. Molde de grafito para la industria de la fundición para mejorar la precisión de la fundición y la calidad de la superficie. En el campo de la electrónica, se puede utilizar como un electrodo y también se utiliza para la fabricación de disipadores de calor flexibles. En la nuclear actúa como moderador para garantizar la estabilidad de las reacciones nucleares. Además, en la industria siderúrgica, los electrodos de grafito se utilizan como conductores para generar arcos eléctricos para fundir acero o aleaciones metálicas.

Campo de aplicación de la fibra de carbonos

Campo aeroespacial, con características de alta resistencia y baja densidad, se puede utilizar para fabricar alas de aviones y otros componentes, mejorar el rendimiento de vuelo. En artículos deportivos, se puede utilizar a menudo para crear bicicletas de alta gama, palos de golf, etc., para mejorar la calidad. En la industria del automóvilpuede utilizarlo para fabricar piezas de carrocería y ejes de transmisión para conseguir un peso ligero y reducir el consumo de energía y las emisiones.

Análisis de costes y mercado: grafito frente a fibra de carbono

Análisis de la composición de los costes

El coste del grafito incluye las materias primas, el consumo de energía y la amortización de los equipos, etc.

Debido a la abundancia de materias primas y a la madurez del proceso, el coste global es bajo. La proporción del coste de la fibra bruta en el coste de la fibra de carbono es grande, el precio de la fibra bruta PAN de alto rendimiento es alto. Y el consumo de energía del proceso de producción es grande, el equipo es caro y el coste de mantenimiento es alto. El resultado son unos costes de producción elevados.

Situación y tendencia del mercado

El mercado del grafito es maduro, se utiliza ampliamente y la demanda es estable. Con el desarrollo de las nuevas industrias de la energía y la electrónica, la demanda de campos específicos sigue creciendo. Mercado de fibra de carbono rápido crecimiento en los últimos años, aeroespacial, automotriz ligero y otras áreas de gama alta de la creciente demanda. Se espera que el progreso tecnológico y la expansión de escala para reducir los costos, las perspectivas del mercado.

Guía de compra

Al comprar grafito, asegúrese de tener en cuenta su pureza, tamaño de partícula y propiedades físicas y químicas. Elija también el proveedor adecuado para asegurarse de que los productos de grafito cumplen los requisitos de la aplicación, vienen con informes de pruebas y un servicio posventa completo.

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Conclusiones

El grafeno y la fibra de carbono difieren significativamente en estructura, rendimiento, aplicación y coste, y cada uno desempeña un papel clave en distintos campos. En el futuro, se espera que optimicen el rendimiento y reduzcan los costes. Y es necesario seleccionarlos razonablemente en función de la demanda en aplicaciones prácticas para maximizar los beneficios.