Materiales de carbono: Una guía completa

Los materiales de carbono son un término general para designar los materiales sólidos basados en el carbono. Suelen estar compuestos por microcristales de grafito. Hay muchos tipos de materiales de carbono con excelentes prestaciones y amplias perspectivas de aplicación.

I. Propiedades de los materiales de carbono

Propiedades físicas

Los materiales de carbono tienen propiedades físicas como luz alta alta conductividad eléctrica, alta conductividad térmica y alta resistencia a la corrosión. Su transmisión de la luz puede ser tan buena como la del vidrio, y su conductividad eléctrica y térmica puede ser tan buena como la del cobre y el aluminio.

Propiedades químicas

El material de carbono es un material resistente a la corrosión con gran estabilidad química y buena resistencia a la corrosión de la mayoría de los ácidos, álcalis y sales.

II.. Explicación detallada de los principales tipos

Grafito

El grafito es una estructura en capas de átomos de carbono, compuesta por planos hexagonales reticulados. Cada átomo de carbono tiene cuatro electrones libres. El grafito tiene una buena conductividad eléctrica y térmica, adecuada para fabricar electrodosintercambiadores de calor y otros campos. El grafito se puede dividir en grafito natural y grafito artificial, ambos tienen estructuras similares, por lo que sus propiedades físicas y químicas son similares, pero son muy diferentes en su aplicación.

Carbón activado

El carbón activado es un tipo de carbón especialmente tratado, con una estructura de poros bien desarrollada y una gran superficie. Debido a su fuerte capacidad de adsorción, gran superficie específica, estructura de poros interna desarrollada, baja densidad aparente y otras características, se utiliza ampliamente en la purificación del agua, la desulfuración, la desnitrificación, la recuperación de disolventes, la adsorción de emergencia, la eliminación de mercurio y muchos otros campos. Al mismo tiempo, el carbón activado se utiliza a menudo como catalizador o portador de catalizador en reacciones químicas como la preparación y el reformado de gases.

Nanotubos de carbono

Los nanotubos de carbono son nanomateriales unidimensionales con excelentes propiedades de alta resistencia y conductividad eléctrica y térmica. Y sus aplicaciones posteriores abarcan principalmente la industria de vehículos de nueva energía, la industria digital 3C, la industria de semiconductores, la infraestructura energética y otros campos. La demanda de aplicaciones comerciales a gran escala de nanotubos de carbono procede principalmente del campo de las baterías de litio y los plásticos conductores, de los cuales más de 80% de la demanda procede de las baterías de litio.

Grafeno

Grafeno es un material de carbono bidimensional formado por una sola capa de átomos de carbono dispuestos en forma de panal. Es el elemento estructural básico de muchos otros heteromorfos del carbono, como el grafito, el diamante, el carbono, los nanotubos de carbono y los fullerenos. Con excelentes características ópticas, mecánicas y eléctricas, su aplicación en primer plano en el procesamiento micro-nano, la ciencia de los materiales, la energía, la administración de fármacos y la biomedicina es más que vital, y se considera un material prometedor en las próximas décadas.

Fibra de carbono

La fibra de carbono es un material de fibra de alta resistencia y alto módulo con un contenido de carbono superior a 90%. Se forma por el agrietamiento y carbonización de fibras orgánicas como el poliacrilonitrilo (o el asfalto y la viscosa) en un entorno de alta temperatura. Tiene las características de peso ligero, alta resistencia, alto módulo, resistencia a altas temperaturas y resistencia a la corrosión. Esto convierte a la fibra de carbono en un nuevo material estratégico en el campo de la alta tecnología moderna y se conoce como el "rey de los nuevos materiales". Las fibras de carbono pueden clasificarse de varias formas, y pueden dividirse en fibras de carbono basadas en poliacrilonitrilo (PAN-CF), fibras de carbono basadas en viscosa (Rayon-CF) y fibras de carbono basadas en asfalto (Pitch-CF) según las diferentes materias primas.

III. Campos de aplicación

Nuevo campo de energía:

Los materiales de carbono tienen una amplia gama de aplicaciones en el campo de las nuevas energías. Por ejemplo, los compuestos de matriz de carbono pueden utilizarse para fabricar baterías y supercondensadores de alta eficiencia. El grafeno puede utilizarse para fabricar células solares y palas eólicas. Con el continuo desarrollo de las nuevas tecnologías energéticas, las perspectivas de aplicación de los materiales de carbono en el campo de las nuevas energías serán más amplias.

Automóvil:

Los materiales de carbono se utilizan en el sector de la automoción para fabricar componentes ligeros y componentes de motor de alta eficiencia. Por ejemplo, los compuestos de fibra de carbono pueden utilizarse para fabricar carrocerías y piezas de automóviles para mejorar su ligereza y alto rendimiento. El grafeno también puede utilizarse para fabricar pilas de combustible de alta eficiencia que mejoren la potencia y el rendimiento económico de los vehículos.

Aeroespacial:

Los materiales de carbono pueden utilizarse en el campo aeroespacial para fabricar aviones y naves espaciales de alto rendimiento, entre otras cosas. Por ejemplo, los compuestos de fibra de carbono pueden utilizarse para fabricar alas y fuselajes ligeros que mejoren su rendimiento. El grafeno también puede emplearse para fabricar motores aeronáuticos de alto rendimiento que mejoren la potencia y el rendimiento económico de las aeronaves.

Industrias:

Los materiales de carbono se utilizan en el sector industrial para fabricar componentes y herramientas de alto rendimiento. Por ejemplo, los compuestos de fibra de carbono pueden utilizarse para fabricar piezas mecánicas avanzadas y tuberías industriales, entre otras cosas, para mejorar su rendimiento y vida útil. Además, el grafeno también puede utilizarse para fabricar bombas y válvulas de alta eficiencia que mejoren la eficacia de la producción industrial.

Sector médico

Los materiales de carbono son ideales para implantes quirúrgicos. Y se han fabricado con éxito implantes como huesos artificiales, caderas artificiales, articulaciones de rodilla y válvulas cardíacas.

Semiconductores

Los materiales de carbono pueden utilizarse para fabricar componentes de campos térmicos de semiconductores, materiales de electrodos, sustratos de disipación de calor, carcasas de paquetes, sondas de inspección, etc.

Campo fotovoltaico

Los materiales de carbono son la sustitución de importación de productos de grafito isostático de alta pureza. Por lo tanto, los materiales de carbono se han realizado con éxito en el sistema de campo térmico fotovoltaico y se utilizan ampliamente como un consumible de cristal largo en el campo térmico fotovoltaico. Tales como crisoles, cilindros de desviación, cilindros de aislamiento, etc.

Sector de la energía

Los materiales de carbono tienen una amplia gama de aplicaciones en el sector energético. Por ejemplo, el grafeno puede utilizarse como material de electrodos para células solares y baterías de litio con el fin de mejorar la densidad energética y la velocidad de carga y descarga de las baterías. Los nanotubos de carbono pueden utilizarse como materiales de almacenamiento de hidrógeno para mejorar la cantidad y la velocidad de almacenamiento de hidrógeno. La fibra de carbono puede utilizarse como soporte de catalizadores para pilas de combustible con el fin de mejorar la actividad y la estabilidad del catalizador.

Ámbito medioambiental

Los materiales de carbono también tienen una amplia gama de aplicaciones en el campo medioambiental. Por ejemplo, el grafeno puede utilizarse en el campo del tratamiento del agua y la purificación del aire para mejorar la eficacia del tratamiento y el efecto de purificación. Los nanotubos de carbono pueden utilizarse para adsorber y eliminar sustancias nocivas del agua y el aire. La fibra de carbono puede utilizarse para fabricar sensores medioambientales que controlen los niveles de sustancias químicas y contaminantes en el medio ambiente.

V. Perspectivas de futuro

La industria de los nuevos materiales es un apoyo importante para campos de alto nivel como la biomedicina, la tecnología de la información y las nuevas energías, y los materiales de carbono. Y como componente importante, los materiales de carbono ocupan una posición estratégica. En los últimos años, la familia del carbono se ha ampliado para incluir diamante, fibra de carbono, compuestos de carbono/carbono, grafito, carbono duro, grafeno, nanotubos de carbono, puntos de carbono, ....... Sus escenarios de aplicación también se amplían constantemente, acelerando la innovación de la cadena de la industria ecológica de diversas industrias. Además, desde 2024, la economía de baja altitud ha aumentado rápidamente. Como material clave en la fase inicial de la cadena industrial, la fibra de carbono y sus materiales compuestos contribuirán con una fuerza importante a promover el desarrollo de la economía de baja altitud. Por lo tanto, tenemos razones para creer que las perspectivas de la industria de materiales de carbono son muy amplias.