Materiali al carbonio: Una guida completa

I materiali al carbonio sono un termine generale per indicare i materiali solidi a base di carbonio. Di solito sono composti da microcristalli di grafite. Esistono molti tipi di materiali al carbonio con prestazioni eccellenti e ampie prospettive di applicazione.

I. Proprietà dei materiali di carbonio

Proprietà fisiche

I materiali di carbonio hanno proprietà fisiche quali luce alta trasmittanza, alta conducibilità elettrica, alta conducibilità termica e alta resistenza alla corrosione. La sua trasmissione luminosa può essere pari a quella del vetro e la sua conducibilità elettrica e termica può essere pari a quella del rame e dell'alluminio.

Proprietà chimiche

Il materiale al carbonio è un materiale resistente alla corrosione con un'elevata stabilità chimica e una buona resistenza alla corrosione della maggior parte degli acidi, degli alcali e dei sali.

II.. Spiegazione dettagliata delle principali tipologie

Grafite

La grafite è una struttura stratificata di atomi di carbonio, composta da piani reticolari esagonali. Ogni atomo di carbonio ha quattro elettroni liberi. La grafite ha una buona conducibilità elettrica e termica ed è adatta per la produzione di elettrodi, scambiatori di calore e altri campi. La grafite può essere suddivisa in grafite naturale e grafite artificiale: entrambe hanno strutture simili, quindi le loro proprietà fisiche e chimiche sono simili, ma le loro applicazioni sono molto diverse.

Carbone attivo

Il carbone attivo è un tipo di carbone appositamente trattato, con una struttura dei pori ben sviluppata e un'ampia superficie. Grazie alla sua forte capacità di adsorbimento, all'ampia superficie specifica, alla struttura interna dei pori sviluppata, alla bassa densità di massa e ad altre caratteristiche, è ampiamente utilizzato nella depurazione delle acque, nella desolforazione, nella denitrificazione, nel recupero dei solventi, nell'adsorbimento di emergenza, nella rimozione del mercurio e in molti altri campi. Allo stesso tempo, il carbone attivo viene spesso utilizzato come catalizzatore o vettore catalitico in reazioni chimiche come la preparazione e il reforming dei gas.

Nanotubi di carbonio

Il nanotubo di carbonio è un nanomateriale unidimensionale con eccellenti proprietà di alta resistenza e alta conducibilità elettrica e termica. Le sue applicazioni a valle riguardano principalmente l'industria dei veicoli a nuova energia, l'industria digitale 3C, l'industria dei semiconduttori, le infrastrutture elettriche e altri settori. La domanda di applicazioni commerciali su larga scala di nanotubi di carbonio proviene principalmente dal settore delle batterie al litio e delle plastiche conduttive, di cui oltre 80% della domanda proviene dalle batterie al litio.

Grafene

Grafene è un materiale bidimensionale di carbonio costituito da un singolo strato di atomi di carbonio disposti a nido d'ape. È l'elemento strutturale di base di molti altri eteromorfi del carbonio, come grafite, diamante, carbonio, nanotubi di carbonio e fullereni. Grazie alle eccellenti caratteristiche ottiche, meccaniche ed elettriche, la sua applicazione in primo piano nella micro-nano lavorazione, nella scienza dei materiali, nell'energia, nella somministrazione di farmaci e nella biomedicina è più che vitale ed è considerata un materiale promettente nei prossimi decenni.

Fibra di carbonio

La fibra di carbonio è un materiale in fibra ad alta resistenza e ad alto modulo con un contenuto di carbonio superiore a 90%. Si forma dalla fessurazione e dalla carbonizzazione di fibre organiche come il poliacrilonitrile (o asfalto e viscosa) in un ambiente ad alta temperatura. Ha le caratteristiche di leggerezza, alta resistenza, alto modulo, resistenza alle alte temperature e alla corrosione. Ciò rende la fibra di carbonio un nuovo materiale strategico nel campo dell'alta tecnologia moderna, noto come il "re dei nuovi materiali". Le fibre di carbonio possono essere classificate in vari modi e possono essere suddivise in fibre di carbonio a base di poliacrilonitrile (PAN-CF), a base di viscosa (Rayon-CF) e a base di asfalto (Pitch-CF) in base alle diverse materie prime.

III. Campi di applicazione

Nuovo campo energetico:

I materiali di carbonio hanno un'ampia gamma di applicazioni nel campo delle nuove energie. Ad esempio, i compositi a matrice di carbonio possono essere utilizzati per realizzare batterie e supercondensatori ad alta efficienza. Il grafene può essere utilizzato per produrre celle solari e pale eoliche. Con il continuo sviluppo delle nuove tecnologie energetiche, le prospettive di applicazione dei materiali di carbonio nel campo delle nuove energie saranno sempre più ampie.

Automobile:

I materiali in carbonio sono utilizzati nel settore automobilistico per realizzare componenti leggeri e motori ad alta efficienza. Ad esempio, i compositi in fibra di carbonio possono essere utilizzati per realizzare carrozzerie e parti di automobili per migliorarne la leggerezza e le prestazioni. Il grafene può essere utilizzato anche per realizzare celle a combustibile ad alta efficienza per migliorare la potenza e le prestazioni economiche dei veicoli.

Aerospaziale:

I materiali in carbonio possono essere utilizzati nel settore aerospaziale per realizzare, tra l'altro, velivoli e veicoli spaziali ad alte prestazioni. Ad esempio, i compositi in fibra di carbonio possono essere utilizzati per realizzare ali e fusoliere leggere e migliorarne le prestazioni. Il grafene può essere utilizzato anche per realizzare motori aeronautici ad alte prestazioni per migliorare la potenza e le prestazioni economiche degli aerei.

Industrie:

I materiali in carbonio sono utilizzati nel settore industriale per realizzare componenti e strumenti ad alte prestazioni. Ad esempio, i compositi in fibra di carbonio possono essere utilizzati per realizzare parti meccaniche avanzate, tubi industriali e così via per migliorarne le prestazioni e la durata. Inoltre, il grafene può essere utilizzato anche per realizzare pompe e valvole ad alta efficienza per migliorare l'efficienza della produzione industriale.

Settore medico

I materiali di carbonio sono ideali per gli impianti chirurgici. Sono stati prodotti con successo impianti come ossa artificiali, anche artificiali, articolazioni del ginocchio e valvole cardiache.

Semiconduttori

I materiali in carbonio possono essere utilizzati per produrre componenti per campi termici di semiconduttori, materiali per elettrodi, substrati per la dissipazione del calore, alloggiamenti per pacchetti, sonde di ispezione e altro ancora.

Campo fotovoltaico

I materiali di carbonio sostituiscono i prodotti di grafite isostatica di elevata purezza. Pertanto, i materiali di carbonio sono stati realizzati con successo nel sistema del campo termico fotovoltaico e ampiamente utilizzati come materiale di consumo a cristallo lungo nel campo termico fotovoltaico. Come crogioli, cilindri di deviazione, cilindri isolanti, ecc.

Settore energetico

I materiali di carbonio hanno un'ampia gamma di applicazioni nel settore energetico. Ad esempio, il grafene può essere utilizzato come materiale elettrodico per le celle solari e le batterie al litio per migliorare la densità energetica e la velocità di carica e scarica delle batterie. I nanotubi di carbonio possono essere utilizzati come materiali di stoccaggio dell'idrogeno per migliorarne la quantità e la velocità. La fibra di carbonio può essere utilizzata come vettore di catalizzatori per le celle a combustibile per migliorare l'attività e la stabilità del catalizzatore.

Settore ambientale

I materiali di carbonio hanno anche un'ampia gamma di applicazioni in campo ambientale. Ad esempio, il grafene può essere utilizzato nel campo del trattamento delle acque e della purificazione dell'aria per migliorare l'efficienza del trattamento e l'effetto di purificazione. I nanotubi di carbonio possono essere utilizzati per adsorbire e rimuovere le sostanze nocive presenti nell'acqua e nell'aria. La fibra di carbonio può essere utilizzata per realizzare sensori ambientali che monitorano i livelli di sostanze chimiche e inquinanti nell'ambiente.

V. Prospettive future

L'industria dei nuovi materiali è un importante supporto per settori di alto livello come la biomedicina, la tecnologia dell'informazione, le nuove energie e i materiali di carbonio. In quanto componente importante, i materiali di carbonio occupano una posizione strategica. Negli ultimi anni, la famiglia del carbonio si è ampliata fino a comprendere diamante, fibra di carbonio, compositi carbonio/carbonio, grafite, carbonio duro, grafene, nanotubi di carbonio, punti di carbonio, ...... Anche i suoi scenari applicativi sono in continua espansione, accelerando l'innovazione della catena industriale ecologica di vari settori. Inoltre, dal 2024, l'economia a bassa quota è in rapida ascesa. In quanto materiale chiave a monte della catena industriale, la fibra di carbonio e i suoi materiali compositi contribuiranno in modo determinante a promuovere lo sviluppo dell'economia a bassa quota. Pertanto, abbiamo motivo di credere che le prospettive dell'industria dei materiali in carbonio siano molto ampie.