Grafito sintético: Una guía completa

El grafito sintético también es otro término para el grafito artificial. Los hay de muchos tipos y tienen un rendimiento excelente. Son materiales a base de carbono indispensables para la producción industrial. En el futuro, el grafito sintético puede evolucionar hacia la innovación y la ecología.

Definición de grafito sintético

El grafito sintético es un material de carbono amorfo sintetizado y modificado artificialmente. Suele producirse con materias primas carbonosas (como carbón, coque de petróleo, etc.) mediante procesos de tratamiento a alta temperatura y grafitización. Tiene características de resistencia eléctrica, térmica y a altas temperaturas similares a las del grafito natural, pero su pureza y estructura pueden modificarse según las necesidades.

Propiedades del grafito sintético

Propiedades físicas

El grafito sintético tiene una excelente conductividad eléctrica y térmica. Es un material muy adecuado para fabricar electrodos, baterías y gestión térmica. Además, el grafito sintético es capaz de soportar entornos extremos de altas temperaturas. Esto significa que puede utilizarse como material refractario y revestimiento de hornos de alta temperatura en las industrias metalúrgica y química. Además, su densidad relativamente baja contribuye a reducir el peso estructural. Al mismo tiempo, mantiene una elevada superficie específica, lo que mejora su rendimiento en procesos de catálisis y adsorción.

Propiedades químicas

El grafito sintético tiene una excelente resistencia a la corrosión y estabilidad química. Por ejemplo, resiste a una amplia gama de ácidos, bases y disolventes orgánicos. Por tanto, es adecuado para su uso en la fabricación de revestimientos y depósitos de almacenamiento de equipos químicos. Además, el grafito sintético puede conservar la estabilidad de la estructura química y presentar una buena resistencia a la oxidación a altas temperaturas. Esto es especialmente importante en aplicaciones de alta temperatura, como en hornos de alta temperatura y equipos de tratamiento térmico.

Propiedades mecánicas

El grafito sintético tiene una gran resistencia y dureza, por lo que puede soportar grandes cargas mecánicas y resistir el desgaste. Esto hace que el grafito sintético sea muy útil en la fabricación de componentes mecánicos, materiales estructurales y materiales resistentes al desgaste. Al mismo tiempo, la plasticidad del grafito sintético permite darle diversas formas y tamaños mediante diferentes técnicas de procesamiento, lo que aumenta su flexibilidad en aplicaciones industriales. Su resistencia a la abrasión también lo hace ideal para la fabricación de pastillas de freno, juntas y otros materiales de fricción.

Grafito natural VS grafito sintético

Estructura

El grafito natural está compuesto por un único elemento de carbono, y su estructura cristalina pertenece al sistema cristalino hexagonal, que es una estructura hexagonal en capas.

El grafito sintético es similar al policristalino en cristalografía y también puede considerarse un material multifásico. Tras la grafitización, el grafito sintético presenta una disposición de los átomos de carbono y un espaciado entre capas más ordenados que el grafito natural.

Conductividad térmica

La conductividad térmica del grafito natural es generalmente mejor que la del grafito sintético, y teóricamente puede alcanzar los 2000 W/m-K, dependiendo de la pureza y la estructura cristalina del grafito. Su estructura en capas hace que el calor se conduzca rápidamente dentro de la capa, por lo que es excelente en aplicaciones de alta temperatura.

La conductividad térmica del grafito sintético suele oscilar entre unos cientos y 1000 W/m-K. A menudo depende del proceso de producción y de la calidad de la materia prima.

Conductividad eléctrica

La conductividad eléctrica del grafito natural suele oscilar entre 10^4 y 10^6 S/m, en función de su estructura cristalina y su contenido en impurezas. El grafito natural tiene una elevada conductividad eléctrica, especialmente en la dirección del plano, porque los electrones pueden moverse libremente entre las capas.

La conductividad eléctrica del grafito sintético suele estar entre 10^3 y 10^5 S/m, normalmente inferior a la del grafito natural. Esto se debe a que la estructura y el grado de grafitización del grafito sintético pueden no ser tan perfectos como los del grafito natural, lo que provoca ciertas restricciones en el movimiento de los electrones.

Proceso de fabricación del grafito sintético

1. Mezcla de materias primas

Seleccionamos coque de petróleo, coque de aguja, etc. que tienen alta pureza y buena cristalinidad como agregados. A continuación, los mezclamos con aglutinantes como carbón, alquitrán, brea, etc. en una determinada proporción y amasamos en el equipo de amasado a una temperatura de 150 - 200°C. De este modo, el aglutinante se envuelve uniformemente en la superficie de las partículas de áridos, formando una pasta plástica. Normalmente, definimos la brea como un aglutinante para el grafito sintético.

2. Moldeado

Moldeo por compresión: Ponemos la pasta en el molde y aplicamos una presión de 10 - 50MPa para que la pasta adquiera la forma deseada en el molde, como bloque, placa, etc.

Extrusión moldeo: Para productos como los electrodos, extruimos la pasta a través del molde de una extrusora para formar un cuerpo verde cilíndrico o con otra forma específica.

3. 3. Tratamiento térmico

Carbonización: Introducimos el tocho verde conformado en el horno de carbonización. A continuación, lo calentamos a 800 - 1000°C a una velocidad de calentamiento de 1 - 5 °C/min bajo la protección de gases inertes como el nitrógeno o el argón. En este proceso, los elementos no carbonosos del aglutinante escapan en forma de gas, y el carbono restante aglutina aún más las partículas agregadas.

Grafitización: A continuación, se coloca el cuerpo carbonizado en un horno de grafitización y se calienta a 2500 - 3000°C a una velocidad de calentamiento de 5 - 10 °C/min. A esta alta temperatura, los átomos de carbono se reorganizan y la estructura cristalina cambia gradualmente a una estructura de grafito.

Usos del grafito sintético

- Industria de baterías:

Los ánodos de grafito sintético tienen una elevada capacidad específica teórica, una buena estabilidad de ciclo y un bajo potencial de intercalación del litio. Se utilizan ampliamente en diversos batería de iones de litio que desempeñan un papel fundamental en la mejora del rendimiento general de las baterías. Además, el grafito se utiliza para electrolizar el cátodo de las celdas electrolíticas de magnesio, aluminio, etc.

- Industria siderúrgica y metalúrgica:

El grafito puede utilizarse como carburante en la siderurgia. En el proceso de fabricación de acero en horno de arco eléctrico, el grafito electrodo actúa como un electrodo conductor para transmitir energía eléctrica al hornocreando un arco eléctrico que funde la carga. Tiene buena conductividad eléctrica, resistencia a altas temperaturas y estabilidad química. Por lo tanto, puede soportar condiciones duras, como las fuertes corrientes y la erosión de la escoria en los hornos de arco eléctrico. En la moderna industria siderúrgica, los electrodos de grafito son materiales clave indispensables para la producción de aceros de alta calidad, como los aceros especiales y los aceros aleados.

- Materiales de fricción:

El grafito se utiliza en la fabricación de embragues en sistemas de transmisión mecánica, pastillas de freno en automóviles y materiales de fricción lubricantes para altas temperaturas. Por ejemplo, la lubricidad y resistencia al calor de los sintéticos grafito en polvo puede reducir el coeficiente de fricción, reducir el desgaste. De este modo se mejora la vida útil y el rendimiento de los materiales de fricción. Esto garantiza el funcionamiento normal de los sistemas de frenado y transmisión de automóviles, trenes y otros vehículos. Además, las pastillas de freno de gránulos de grafito sintético emergentes son más sobresalientes en la fricción y el rendimiento de frenado. Este tipo de pastillas de freno está compuesto por resina y grafito sintético.

- Disipación del calor y materiales de iluminación:

En la electrónica de potencia, como transistores de potencia, rectificadores, inversores, etc., se utiliza una lámina de grafito sintético para disipar el calor. Estos dispositivos generan mucho calor cuando están funcionando. Por ello, una buena disipación del calor ayuda a mejorar la fiabilidad y la eficiencia del equipo. Al mismo tiempo, reduce los fallos y la degradación del rendimiento causados por el sobrecalentamiento. Por ejemplo, las luces LED generarán calor durante el proceso de trabajo, y si no pueden disipar el calor a tiempo, afectará a la eficacia luminosa y a la vida útil del LED. Las láminas de grafito sintético pueden adherirse a los chips LED o a los sustratos de disipación de calor para disipar eficazmente el calor. Esto garantiza el funcionamiento normal de los sistemas de iluminación LED y mejora la calidad de la iluminación y los efectos de ahorro de energía.

- Industrias aeroespacial y de defensa:

Tiene un punto de fusión elevado, una gran resistencia al choque térmico y a la corrosión. Puede utilizarse como combustible nuclear y como material de revestimiento en reactores de alta temperatura refrigerados por gas. Además, el grafito también se utiliza para fabricar toberas para cohetes espaciales, piezas de motores aeroespaciales y materiales estructurales de aislamiento térmico.

Producción nacional de grafito sintético

China es el mayor fabricante de grafito del mundo. En 2023, la producción de grafito ha alcanzado los 2,612 millones de toneladas, de las cuales la producción de grafito sintético representa 53,75% y la de grafito natural 46,25%. Las exportaciones y las exportaciones netas chinas de grafito sintético siguen creciendo, y el superávit comercial muestra una tendencia creciente.

En 2021, el mercado de material de ánodo de grafito sintético representó 97,58% del mercado. De la situación del mercado, el rango de precios principal de los productos de gama media en el mercado de ánodos de grafito sintético es US$2,700-4,100 por tonelada. Entre ellos, los productos de gama alta tienen un precio de entre 1.700 y 4.700 dólares por tonelada. La gama de precios de los productos de gama baja es de $2.100-3.10o dólares por tonelada.