Informazioni sulla grafite pirolitica

La grafite pirolitica è una grafite policristallina ottenuta dalla decomposizione di un gas idrocarburo. Questo composto artificiale è simile a grafite. Tuttavia, possiede numerose proprietà uniche. Di conseguenza, viene utilizzato in vari settori per diverse applicazioni. Questo articolo fornisce una conoscenza completa della grafite pirolitica, delle sue caratteristiche e delle sue applicazioni. Cominciamo.

Panoramica del composto di grafite pirolitica

La grafite pirolitica è una forma di grafite prodotta dalla decomposizione di un gas idrocarburo.

Quando la temperatura del gas di idrocarburi raggiunge lo stadio di decomposizione in un'atmosfera di vuoto, forma strati di grafite altamente orientati.

Ciò che la differenzia dalla grafite ordinaria è la sua struttura cristallina. A differenza della grafite naturale, ha atomi di carbonio organizzati. Inoltre, è estremamente anisotropo.

Scopriamone le caratteristiche.

Caratteristiche/Proprietà della grafite pirolitica

La grafite pirolitica presenta una vasta gamma di caratteristiche. Grazie alle seguenti proprietà, questa grafite trova applicazione in numerosi settori industriali.

Alta conducibilità termica

La grafite pirolitica è rinomata per la sua elevata conducibilità termica in piano, grazie al suo forte legame covalente.

A temperatura ambiente, può raggiungere i 2.000 W/m-K. Questa qualità rende questo materiale ideale per prodotti come diffusori e dissipatori di calore.

Alta conducibilità elettrica

La grafite pirolitica è anisotropa e presenta una struttura a strati. Di conseguenza, supporta un eccellente flusso di elettricità. Gli elettroni di questa grafite si muovono facilmente lungo gli atomi di carbonio legati.

Resistente alle alte temperature

La grafite pirolitica può sopportare temperature estremamente elevate. È un carbonio termodinamicamente stabile. Di conseguenza, conserva la sua struttura chimica alle alte temperature. Il composto funziona bene anche a 3500°C in un'atmosfera non ossidante.

Stabilità chimica

La grafite pirolitica è chimicamente inerte. Non reagisce alla maggior parte degli acidi, degli alcali e dei solventi a temperatura ambiente. Può resistere a un'ampia gamma di attacchi chimici. Di conseguenza, gli ingegneri nucleari la utilizzano nei reattori nucleari.

Resistenza meccanica

Pur essendo leggera, la grafite pirolitica ha una discreta resistenza meccanica. La sua resistenza alla trazione in piano varia da 20 a 40 MPa.

Coefficiente di attrito

La grafite pirolitica ha un coefficiente di attrito trascurabile, soprattutto in condizioni non lubrificate. Di conseguenza, viene impiegata in applicazioni in cui la riduzione dell'attrito è fondamentale.

Si può notare il suo utilizzo nelle guarnizioni, nei cuscinetti e in vari componenti scorrevoli.

Come si produce la grafite pirolitica?

La grafite pirolitica viene prodotta attraverso un processo di deposizione chimica da vapore. Gli ingegneri depositano atomi di carbonio su un substrato a temperature estreme in strati sottili.

Scopriamo il processo completo passo dopo passo.

Selezione della fonte di idrocarburi

In primo luogo, i produttori selezionano un gas contenente carbonio per la produzione di grafite pirolitica. Questo gas può essere metano, acetilene e propano. Funziona come fonte di carbonio per creare strutture di grafite.

Formazione del substrato

Una volta scelto il gas, è il momento di trovare un substrato adatto. In genere, i produttori preferiscono la grafite come substrato. Dopo tutto, è in grado di resistere alle alte temperature. Il substrato permette agli atomi di carbonio di depositarsi in una struttura grafitica.

Processo CVD (Chemical Vapor Deposition)

L'idrocarburo gassoso viene rilasciato in un forno. La temperatura del forno varia tra i 200 e i 300°C.

Questa temperatura estrema decompone il gas in componenti di carbonio e idrogeno. L'idrogeno viene rilasciato come prodotto di scarto, mentre gli atomi di carbonio si accumulano sulla superficie del substrato.

Deposizione

La deposizione di atomi di carbonio avviene in uno strato sottile grazie alla pressione controllata. Questi strati di atomi di carbonio creano una struttura ordinata di grafite pirolitica.

Poiché gli atomi sono ben allineati in strati, la grafite pirolitica diventa anisotropa.

Raffreddamento

La deposizione strato per strato di atomi di carbonio è seguita da un processo di raffreddamento.

Ora i produttori possono estrarre la grafite dal forno per darle la forma desiderata.

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L'intero processo di produzione è sottoposto a un rigoroso controllo di qualità. Questo garantisce che la grafite pirolitica abbia le proprietà elettriche e termiche necessarie.

Applicazioni 

Reattori nucleari

Le società di produzione di energia elettrica e nucleare di tutto il mondo utilizzano la grafite pirolitica come materiale moderatore nei reattori nucleari.

Il AGR e i reattori MAGNOX raffreddati a gas del Regno Unito ne sono un perfetto esempio.

Poiché la grafite pirolitica è una forma di carbonio anisotropo, viene utilizzata nei reattori HTGR (High-Temperature Gas-Cooled Reactors) e nei reattori veloci. La resistenza della grafite agli shock termici e alle sostanze chimiche la rende adatta all'industria nucleare.

Come moderatore, la grafite rallenta i neutroni durante le reazioni di fissione, aiutando il reattore a funzionare perfettamente.

Gli ingegneri nucleari utilizzano la grafite pirolitica anche per produrre materiale strutturale. Riveste le particelle di combustibile nucleare.

Nei reattori raffreddati a gas, il combustibile viene incapsulato in particelle tristrutturali-isotrope. Il rivestimento di grafite protegge il combustibile.

Funge anche da barriera e protegge i reattori dai materiali radioattivi. Questa grafite non perde la sua integrità strutturale anche a temperature superiori a 1.000°C.

Batterie

I produttori di batterie utilizzano la grafite pirolitica in diversi modi. Ha un ruolo importante nelle moderne tecnologie delle batterie. 

Anche le batterie agli ioni di litio utilizzano questa grafite grazie alla sua eccellente conducibilità elettrica e stabilità termica.

Queste batterie utilizzano la grafite come ospite per gli ioni di litio durante i cicli di carica e scarica.

Inoltre, i produttori utilizzano questa grafite come elettrodo negativo nelle batterie al litio ricaricabili.

La struttura a strati della grafite pirolitica permette agli ioni di litio di intercalarsi tra i suoi strati. Di conseguenza, crea un meccanismo reversibile per l'accumulo di energia.

A differenza di altri materiali anodici, questa forma di grafite può sopportare temperature elevate e reazioni chimiche. Aiuta la batteria a funzionare in condizioni estreme. Queste batterie sono comuni nei veicoli elettrici e nel settore aerospaziale.

Tecnologia delle celle a combustibile

Ha svolto un ruolo cruciale nella tecnologia delle celle a combustibile. I fogli di grafite pirolitica ne sono un buon esempio.

Questi fogli nella cella a combustibile mantengono la temperatura e dissipano il calore residuo. Le celle a combustibile a ossidi solidi con temperature elevate dipendono da questa grafite per gestire il calore.

Transistor al grafene

Il transistor al grafene è un dispositivo su scala nanometrica utilizzato in dispositivi di comunicazione wireless, tessuti elettronici, sistemi radar e smartphone pieghevoli.

Il transistor utilizza il grafene come materiale semiconduttore. La grafite pirolitica svolge un ruolo importante nella produzione del grafene. Serve come materiale precursore per la produzione di grafene.

La grafite garantisce inoltre un'efficiente gestione del calore nei transistor al grafene.

Ugello del razzo

Gli studiosi di razzi utilizzano la grafite pirolitica negli ugelli dei razzi per la sua eccellente integrità strutturale e le sue proprietà termiche.

La gola e le camere del razzo, rivestite di grafite pirolitica, sono in grado di resistere a temperature superiori a 3.000 °C. Inoltre, questa grafite non viene erosa dai gas caldi espulsi dall'ugello.

Anche l'Air Force Rocket Propulsion Laboratory ha utilizzato inserti di gola rivestiti di grafite pirolitica nel suo razzo nel 1974.

Strumenti di diagnostica medica

È possibile notare l'uso della grafite pirolitica anche in numerose apparecchiature diagnostiche.

Riduce al minimo il campo di disomogeneità nelle macchine per la risonanza magnetica. Pertanto, migliora naturalmente la chiarezza e il dettaglio dei campi magnetici.

Grazie alla sua biocompatibilità, il composto di grafite viene utilizzato anche nei componenti dei pacemaker.

La grafite pirolitica non reagisce con i tessuti e i fluidi del corpo. Di conseguenza, non è necessario preoccuparsi di eventuali complicazioni.

I sensori elettrochimici aiutano a controllare il colesterolo e il glucosio. Sapevate che questi sensori utilizzano anche la grafite pirolitica?

Questa forma di grafite presenta una superficie altamente conduttiva. Pertanto, garantisce un trasferimento di elettroni efficace e fornisce sempre una lettura affidabile.

Inoltre, la sua capacità di resistere alla corrosione aiuta i sensori elettrochimici a sostenere diversi ambienti biologici.

Elettrochimica

L'eccezionale stabilità chimica e la conducibilità elettrica rendono la grafite pirolitica adatta a varie applicazioni elettrochimiche. Serve come materiale per elettrodi in varie celle elettrochimiche, come condensatori e batterie.

La grafite favorisce il rapido trasferimento di elettroni tra l'elettrodo e l'analita. Di conseguenza, aiuta a rilevare i neurotrasmettitori.

Tubi per raggi X

Un tubo a raggi X trova impiego nell'ispezione industriale e nella diagnostica medica per immagini. Questi tubi utilizzano la grafite pirolitica come materiale di supporto dell'anodo bersaglio. L'anodo ha lo scopo di trasformare l'energia cinetica degli elettroni accelerati in raggi-X.

Durante questo processo, l'anodo potrebbe surriscaldarsi. Fortunatamente, l'elevata conducibilità termica della grafite pirolitica disperde il calore generato durante la produzione di raggi X. Pertanto, aumenta la durata di vita del tubo.

Luce laser

Diverse aziende hanno utilizzato la grafite pirolitica nei sistemi di illuminazione laser. Questo composto presenta proprietà ottiche e termiche particolari che gli consentono di resistere all'intenso fascio laser.

In 2012Un gruppo di ricerca giapponese ha dimostrato che la grafite pirolitica risponde alla luce laser. Hanno anche studiato che il composto risponde alla luce naturale del sole muovendosi nella direzione del gradiente di campo.

Le discariche di raggi laser utilizzano questa grafite per assorbire l'energia laser e disperdere rapidamente il calore. Il dispositivo viene utilizzato per assorbire l'energia eccessiva dei raggi laser.

I sistemi di incisione laser utilizzano anche la grafite pirolitica come substrato. Poiché questa grafite è resistente all'ablazione laser, garantisce una marcatura e un taglio laser precisi.

Oltre a questo, è possibile notare l'uso di specchi di grafite pirolitica in potenti configurazioni laser. Questi specchi riflettono i raggi laser senza essere influenzati dalle alte temperature.

Conclusione

Questa è una guida approfondita sulla grafite pirolitica. Considerando tutto insieme, possiamo dire che questa forma di grafite è un materiale versatile. Le sue proprietà elettriche anisotrope, la conducibilità termica e la resistenza alle alte temperature la rendono ideale per un'ampia gamma di applicazioni. 

I diversi settori industriali ne hanno fatto un uso diverso. Nei prossimi anni, potremmo vederne l'utilizzo in diverse altre tecnologie e innovazioni moderne.

Ci auguriamo che questa guida completa vi fornisca informazioni adeguate sulla grafite pirolitica.