Acerca del grafito pirolítico

El grafito pirolítico es un grafito policristalino que se obtiene de la descomposición de un gas hidrocarburo. Este compuesto artificial tiene un aspecto similar a grafito. Sin embargo, posee numerosas propiedades únicas. Por ello, se utiliza en diversas industrias para distintas aplicaciones. Este post le proporciona un conocimiento completo sobre el grafito pirolítico, sus características y aplicaciones. Empecemos.

Panorama general del compuesto de grafito pirolítico

El grafito pirolítico es una forma de grafito producida por la descomposición de un gas hidrocarburo.

Cuando la temperatura del gas hidrocarburo alcanza la fase de descomposición en una atmósfera de vacío, forma capas de grafito muy orientadas.

Lo que lo diferencia del grafito ordinario es su estructura cristalina. A diferencia del grafito natural, tiene átomos de carbono organizados. Además, es extremadamente anisótropo.

Conozcamos sus características.

Características y propiedades del grafito pirolítico

El grafito pirolítico presenta una amplia gama de características. Debido a las siguientes propiedades, este grafito tiene aplicaciones en numerosas industrias.

Alta conductividad térmica

El grafito pirolítico es famoso por su elevada conductividad térmica en el plano, gracias a su fuerte enlace covalente.

A temperatura ambiente, puede alcanzar hasta 2000 W/m-K. Esta cualidad hace que este material sea ideal para productos como dispersores y disipadores de calor.

Alta conductividad eléctrica

El grafito pirolítico es anisótropo y presenta una estructura en capas. Como resultado, soporta un excelente flujo de electricidad. Los electrones de este grafito se mueven fácilmente a lo largo de los átomos de carbono enlazados.

Resistente a altas temperaturas

El grafito pirolítico puede soportar temperaturas extremadamente altas. Es un carbono termodinámicamente estable. Por ello, conserva su estructura química a altas temperaturas. El compuesto funciona bien incluso a 3500 °C de temperatura en una atmósfera no oxidante.

Estabilidad química

El grafito pirolítico es químicamente inerte. No reacciona a la mayoría de ácidos, álcalis y disolventes a temperatura ambiente. Puede resistir una amplia gama de ataques químicos. Por ello, los ingenieros nucleares lo utilizan en reactores nucleares.

Resistencia mecánica

Aunque el grafito pirolítico es ligero, tiene una resistencia mecánica decente. Su resistencia a la tracción en el plano oscila entre 20 y 40 MPa.

Coeficiente de fricción

El grafito pirolítico tiene un coeficiente de fricción insignificante, especialmente en condiciones sin lubricación. Por ello, se emplea en aplicaciones en las que es crucial reducir la fricción.

Se puede observar su uso en juntas, cojinetes y diversos componentes deslizantes.

¿Cómo se fabrica el grafito pirolítico?

El grafito pirolítico se fabrica mediante un proceso de deposición química de vapor. Los ingenieros depositan átomos de carbono en capas finas sobre un sustrato a temperaturas extremas.

Conozcamos el proceso completo paso a paso.

Selección de fuentes de hidrocarburos

En primer lugar, los fabricantes seleccionan un gas que contenga carbono para fabricar grafito pirolítico. Este gas puede ser metano, acetileno y propano. Funciona como fuente de carbono para crear estructuras de grafito.

Formación del sustrato

Una vez elegido el gas, es hora de encontrar un sustrato adecuado. Por lo general, los fabricantes prefieren el grafito como sustrato. Al fin y al cabo, puede soportar altas temperaturas. El sustrato permite que los átomos de carbono se asienten en una estructura grafítica.

Proceso CVD (depósito químico en fase vapor)

El gas hidrocarburo se libera en un horno. La temperatura del horno oscila entre 200 y 300°C.

Esta temperatura extrema descompone el gas en componentes de carbono e hidrógeno. El hidrógeno se libera como producto residual, mientras que los átomos de carbono se acumulan en la superficie del sustrato.

Depósito

La deposición de átomos de carbono se produce en una fina capa debido a la presión controlada. Estas capas de átomos de carbono crean una estructura ordenada de grafito pirolítico.

Como los átomos están bien alineados en capas, el grafito pirolítico se vuelve anisótropo.

Refrigeración

La deposición de átomos de carbono capa por capa va seguida de un proceso de enfriamiento.

Ahora los fabricantes pueden extraer el grafito del horno para darle la forma deseada

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Todo el proceso de fabricación se somete a un estricto control de calidad. Garantiza que el grafito pirolítico tenga las propiedades eléctricas y térmicas necesarias.

Aplicaciones 

Reactores nucleares

Las empresas de generación de electricidad y energía nuclear de todo el mundo utilizan el grafito pirolítico como material moderador en los diseños de reactores nucleares.

En AGR y los reactores refrigerados por gas MAGNOX del Reino Unido son un ejemplo perfecto de ello.

Como el grafito pirolítico es una forma anisótropa del carbono, se utiliza en los HTGR (reactores de alta temperatura refrigerados por gas) y en los reactores rápidos. La resistencia del grafito al choque térmico y a los productos químicos lo hace idóneo para la industria nuclear.

Como moderador, el grafito ralentiza los neutrones durante las reacciones de fisión, contribuyendo al perfecto funcionamiento del reactor.

Los ingenieros nucleares también utilizan el grafito pirolítico para fabricar material estructural. Recubre las partículas de combustible nuclear.

En los reactores refrigerados por gas, el combustible se encapsula en partículas triestructurales-isotrópicas. El revestimiento de este grafito protege el combustible.

También actúa como barrera y protege los reactores contra materiales radiactivos. Este grafito no pierde su integridad estructural ni siquiera a temperaturas superiores a 1.000 °C.

Pilas

Los fabricantes de baterías utilizan el grafito pirolítico de múltiples maneras. Desempeña un gran papel en las modernas tecnologías de baterías. 

Las baterías de iones de litio también emplean este grafito por su excelente conductividad eléctrica y estabilidad térmica.

Estas baterías utilizan este grafito como anfitrión de los iones de litio durante los ciclos de carga y descarga.

Además, los fabricantes utilizan este grafito como electrodo negativo en las baterías de litio recargables.

La estructura en capas del grafito pirolítico permite que los iones de litio se intercalen entre sus capas. Como resultado, se crea un mecanismo reversible de almacenamiento de energía.

A diferencia de otros materiales de ánodo, esta forma de grafito puede soportar altas temperaturas y reacciones químicas. Ayuda a la batería a funcionar en condiciones extremas. Este tipo de baterías son habituales en vehículos eléctricos y en la industria aeroespacial.

Tecnología de pilas de combustible

Ha desempeñado un papel crucial en la tecnología de las pilas de combustible. Las láminas de grafito pirolítico son un buen ejemplo de ello.

Estas láminas de la pila de combustible mantienen la temperatura y disipan el calor residual. Las pilas de combustible de óxido sólido con altas temperaturas dependen de este grafito para gestionar el calor.

Transistores de grafeno

Un transistor de grafeno es un dispositivo a nanoescala utilizado en dispositivos de comunicación inalámbrica, textiles electrónicos, sistemas de radar y smartphones plegables.

El transistor utiliza grafeno como material semiconductor. El grafito pirolítico desempeña un papel importante en la fabricación de grafeno. Sirve como material precursor para la producción de grafeno.

El grafeno también garantiza una gestión eficaz del calor en los transistores de grafeno.

Tobera de cohete

Los coheteros utilizan grafito pirolítico en las toberas de los cohetes por su excelente integridad estructural y sus propiedades térmicas.

La garganta y las cámaras del cohete, recubiertas de grafito pirolítico, pueden soportar temperaturas superiores a 3.000°C. Además, este grafito no se erosiona con los gases calientes expulsados por la tobera.

El Laboratorio de Propulsión de Cohetes de la Fuerza Aérea también utilizó insertos de garganta recubiertos de grafito pirolítico en su cohete en 1974.

Instrumentos de diagnóstico médico

También se puede observar el uso de grafito pirolítico en numerosos equipos de diagnóstico.

Minimiza el campo de inhomogeneidades en las máquinas de IRM. Por tanto, mejora de forma natural la claridad y el detalle de los campos magnéticos.

Debido a su biocompatibilidad, el compuesto de grafito también se utiliza en componentes de marcapasos.

El grafito pirolítico no reacciona con los tejidos y fluidos corporales. Por consiguiente, no hay que preocuparse por las complicaciones.

Los sensores electroquímicos ayudan a controlar el colesterol y la glucosa. Sabías que estos sensores también utilizan grafito pirolítico?

Esta forma de grafito presenta una superficie altamente conductora. Por lo tanto, garantiza una transferencia de electrones eficiente y proporciona una lectura fiable en todo momento.

Además, su capacidad de resistencia a la corrosión ayuda a los sensores electroquímicos a soportar diferentes entornos biológicos.

Electroquímica

Su excelente estabilidad química y conductividad eléctrica hacen que el grafito pirolítico sea adecuado para diversas aplicaciones electroquímicas. Sirve como material de electrodo en diversas celdas electroquímicas, como condensadores y baterías.

Este grafito favorece la rápida transferencia de electrones entre el electrodo y el analito. Como resultado, ayuda en la detección de neurotransmisores.

Tubos de rayos X

Los tubos de rayos X se utilizan en la inspección industrial y la obtención de imágenes médicas. Estos tubos utilizan grafito pirolítico como material de soporte del ánodo objetivo. El objetivo del ánodo es convertir la energía cinética de los electrones acelerados en rayos X.

Durante este proceso, el ánodo puede sobrecalentarse. Afortunadamente, la alta conductividad térmica del grafito pirolítico dispersa el calor generado durante la producción de rayos X. Por tanto, aumenta la vida útil del tubo.

Luz láser

Varias empresas utilizan grafito pirolítico en sistemas de luz láser. Este compuesto presenta unas propiedades ópticas y térmicas distintivas que le permiten soportar el intenso rayo láser.

En 2012un grupo de investigación de Japón demostró que el grafito pirolítico responde a la luz láser. También investigaron que el compuesto responde a la luz solar natural moviéndose en la dirección del gradiente de campo.

Los vertederos de rayos láser emplean este grafito para absorber la energía láser y disipar el calor rápidamente. El dispositivo se utiliza para absorber la energía excesiva de los rayos láser.

Los sistemas de grabado por láser también utilizan grafito pirolítico como sustrato. Como este grafito es resistente a la ablación por láser, garantiza un marcado y corte por láser precisos.

Además, también se puede observar el uso de espejos de grafito pirolítico en potentes configuraciones láser. Estos espejos reflejan los rayos láser sin verse afectados por las altas temperaturas.

Conclusión

Esta es una guía en profundidad sobre el grafito pirolítico. Considerando todo en conjunto, podemos decir que esta forma de grafito es un material versátil. Sus propiedades eléctricas anisótropas, su conductividad térmica y su resistencia a altas temperaturas lo hacen ideal para una amplia gama de aplicaciones. 

Las distintas industrias lo utilizan de forma diferente. En los próximos años, es posible que veamos su uso en otras tecnologías e innovaciones modernas.

Esperamos que esta completa guía le proporcione información adecuada sobre el grafito pirolítico.