Sobre o grafite pirolítico

O grafite pirolítico é um grafite policristalino produzido a partir da decomposição de um gás hidrocarboneto. Esse composto feito pelo homem é semelhante a grafite. No entanto, ele tem inúmeras propriedades exclusivas. Como resultado, ele é usado em vários setores para diversas aplicações. Esta publicação fornece a você um conhecimento completo sobre o grafite pirolítico, suas características e aplicações. Vamos começar.

Visão geral do composto de grafite pirolítico

O grafite pirolítico é uma forma de grafite produzida pela decomposição de um gás hidrocarboneto.

Quando a temperatura do gás de hidrocarboneto atinge o estágio de decomposição em uma atmosfera de vácuo, ele forma camadas de grafite altamente orientadas.

O que o torna diferente do grafite comum é sua estrutura cristalina. Ao contrário do grafite natural, ele tem átomos de carbono organizados. Além disso, é extremamente anisotrópico.

Vamos conhecer suas características.

Características/Propriedades do grafite pirolítico

O grafite pirolítico apresenta uma gama diversificada de características. Devido às propriedades a seguir, esse grafite tem aplicações em vários setores.

Alta condutividade térmica

O grafite pirolítico é conhecido por sua alta condutividade térmica no plano, graças à sua forte ligação covalente.

Em temperatura ambiente, pode atingir até 2000 W/m-K. Essa qualidade faz com que esse material seja ideal para produtos como dissipadores de calor e dissipadores de calor.

Alta condutividade elétrica

O grafite pirolítico é anisotrópico, apresentando uma estrutura em camadas. Como resultado, ele suporta um excelente fluxo de eletricidade. Os elétrons desse grafite se movem facilmente ao longo dos átomos de carbono ligados.

Resistente a altas temperaturas

O grafite pirolítico pode suportar temperaturas extremamente altas. É um carbono termodinamicamente estável. Como resultado, ele mantém sua estrutura química em altas temperaturas. O composto funciona bem mesmo a 3500°C de temperatura em uma atmosfera não oxidante.

Estabilidade química

O grafite pirolítico é quimicamente inerte. Ele não reage à maioria dos ácidos, álcalis e solventes em temperatura ambiente. Ele pode resistir a uma ampla gama de ataques químicos. Por isso, os engenheiros nucleares o utilizam em reatores nucleares.

Resistência mecânica

Embora o grafite pirolítico seja leve, ele tem uma resistência mecânica decente. Sua resistência à tração no plano varia entre 20 e 40 MPa.

Coeficiente de fricção

O grafite pirolítico tem um coeficiente de atrito insignificante, principalmente em condições sem lubrificação. Consequentemente, as pessoas o utilizam em aplicações em que o atrito reduzido é crucial.

É possível notar seu uso em vedações, rolamentos e vários componentes deslizantes.

Como o grafite pirolítico é produzido?

O grafite pirolítico é produzido por meio de um processo de deposição de vapor químico. Os engenheiros depositam átomos de carbono em um substrato em camadas finas a temperaturas extremas.

Vamos conhecer o processo completo, passo a passo.

Seleção de fontes de hidrocarbonetos

Primeiro, os fabricantes selecionam um gás contendo carbono para a produção de grafite pirolítico. Esse gás pode ser metano, acetileno e propano. Ele funciona como uma fonte de carbono para criar estruturas de grafite.

Formação do substrato

Uma vez escolhido o gás, é hora de encontrar um substrato adequado. Em geral, os fabricantes preferem o grafite como substrato. Afinal, ele pode suportar altas temperaturas. O substrato permite que os átomos de carbono se estabeleçam em uma estrutura grafítica.

Processo CVD (Chemical Vapor Deposition)

O gás de hidrocarboneto é liberado em um forno. A temperatura do forno varia entre 200 e 300°C.

Essa temperatura extrema decompõe o gás em componentes de carbono e hidrogênio. O hidrogênio é liberado como um produto residual, enquanto os átomos de carbono se acumulam na superfície do substrato.

Deposição

A deposição de átomos de carbono ocorre em uma camada fina devido à pressão controlada. Essas camadas de átomos de carbono criam uma estrutura ordenada de grafite pirolítico.

Como os átomos estão bem alinhados em camadas, o grafite pirolítico se torna anisotrópico.

Resfriamento

A deposição camada por camada de átomos de carbono é seguida por um processo de resfriamento.

Agora, os fabricantes podem extrair o grafite do forno para dar a ele o formato desejado

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Todo o processo de fabricação passa por um rigoroso controle de qualidade. Ele garante que o grafite pirolítico tenha as propriedades elétricas e térmicas necessárias.

Aplicativos 

Reatores nucleares

Empresas de geração de energia e energia nuclear em todo o mundo usam grafite pirolítico como material moderador em projetos de reatores nucleares.

O AGR e os reatores MAGNOX resfriados a gás do Reino Unido são um exemplo perfeito disso.

Como o grafite pirolítico é uma forma de carbono anisotrópico, ele é usado em HTGRs (reatores de alta temperatura resfriados a gás) e reatores rápidos. A resistência do grafite contra choques térmicos e produtos químicos o torna adequado para o setor nuclear.

Como moderador, o grafite desacelera os nêutrons durante as reações de fissão, ajudando o reator a funcionar perfeitamente.

Os engenheiros nucleares também usam o grafite pirolítico para fabricar material estrutural. Ele reveste as partículas de combustível nuclear.

Nos reatores resfriados a gás, o combustível é encapsulado em partículas isotrópicas tridimensionais. O revestimento desse grafite protege o combustível.

Ele também atua como uma barreira e protege os reatores contra materiais radioativos. Esse grafite não perde sua integridade estrutural mesmo em temperaturas superiores a 1.000°C.

Baterias

Os fabricantes de baterias usam o grafite pirolítico de várias maneiras. Ele tem um papel importante nas modernas tecnologias de bateria. 

As baterias de íons de lítio também utilizam esse grafite devido à sua excelente condutividade elétrica e estabilidade térmica.

Essas baterias usam esse grafite como hospedeiro de íons de lítio durante os ciclos de carga e descarga.

Além disso, os fabricantes usam esse grafite como eletrodo negativo em baterias recarregáveis de lítio.

A estrutura em camadas do grafite pirolítico permite que os íons de lítio se intercalem entre suas camadas. Como resultado, ela cria um mecanismo reversível para o armazenamento de energia.

Diferentemente de outros materiais de ânodo, essa forma de grafite pode suportar altas temperaturas e reações químicas. Isso ajuda a bateria a funcionar em condições extremas. Essas baterias são comuns em veículos elétricos e no setor aeroespacial.

Tecnologia de célula de combustível

Ele tem desempenhado um papel fundamental na tecnologia de células de combustível. As folhas de grafite pirolítico são um bom exemplo disso.

Essas folhas na célula de combustível mantêm a temperatura e dissipam o calor residual. As células de combustível de óxido sólido com altas temperaturas dependem desse grafite para gerenciar o calor.

Transistores de grafeno

Um transistor de grafeno é um dispositivo em nanoescala usado em dispositivos de comunicação sem fio, tecidos eletrônicos, sistemas de radar e smartphones dobráveis.

O transistor usa o grafeno como material semicondutor. O grafite pirolítico desempenha um papel importante na fabricação do grafeno. Ele serve como um material precursor para a produção de grafeno.

O grafite também garante o gerenciamento eficiente do calor nos transistores de grafeno.

Bocal do foguete

Os cientistas de foguetes usam grafite pirolítico em bicos de foguetes devido à sua excelente integridade estrutural e propriedades térmicas.

A garganta e as câmaras do foguete, revestidas de grafite pirolítico, podem suportar temperaturas superiores a 3.000°C. Além disso, esse grafite não é corroído pelos gases quentes expelidos pelo bocal.

O Air Force Rocket Propulsion Laboratory também usou inserções de garganta revestidas de grafite pirolítico em seu foguete em 1974.

Ferramentas de diagnóstico médico

Também é possível notar o uso de grafite pirolítico em vários equipamentos de diagnóstico.

Ele minimiza o campo de inomogeneidades em máquinas de ressonância magnética. Portanto, ele melhora naturalmente a clareza e os detalhes dos campos magnéticos.

Devido à sua biocompatibilidade, o composto de grafite também é usado em componentes de marca-passos.

O grafite pirolítico não reage com os tecidos e fluidos corporais. Consequentemente, você não precisa se preocupar com complicações.

Os sensores eletroquímicos ajudam a verificar o colesterol e a glicose. Você sabia que esses sensores também usam grafite pirolítico?

Essa forma de grafite apresenta uma superfície altamente condutora. Portanto, ela garante uma transferência eficiente de elétrons e proporciona sempre uma leitura confiável.

Além disso, sua capacidade de resistência à corrosão ajuda os sensores eletroquímicos a suportar diferentes ambientes biológicos.

Eletroquímico

A excelente estabilidade química e a condutividade elétrica tornam o grafite pirolítico adequado para várias aplicações eletroquímicas. Ele serve como material de eletrodo em várias células eletroquímicas, como capacitores e baterias.

Esse grafite suporta a rápida transferência de elétrons entre o eletrodo e o analito. Como resultado, ele ajuda na detecção de neurotransmissores.

Tubos de raios X

Um tubo de raios X é usado em inspeção industrial e imagens médicas. Esses tubos utilizam grafite pirolítica como material de apoio do ânodo alvo. O ânodo tem o objetivo de transformar a energia cinética dos elétrons acelerados em raios X.

Durante esse processo, o ânodo pode superaquecer. Felizmente, a alta condutividade térmica do grafite pirolítico dispersa o calor gerado durante a produção de raios X. Portanto, ela aumenta a vida útil do tubo.

Luz laser

Várias empresas têm usado grafite pirolítico em sistemas de luz laser. Esse composto apresenta propriedades ópticas e térmicas distintas que lhe permitem suportar o intenso feixe de laser.

Em 2012Em setembro de 2008, um grupo de pesquisa no Japão demonstrou que o grafite pirolítico responde à luz laser. Eles também investigaram que o composto responde à luz solar natural movendo-se na direção do gradiente do campo.

Os descartes de feixes de laser utilizam esse grafite para absorver a energia do laser e dissipar o calor rapidamente. O dispositivo é usado para absorver a energia excessiva dos feixes de laser.

Os sistemas de gravação a laser também usam grafite pirolítico como substrato. Como esse grafite é resistente à ablação a laser, ele garante marcação e corte a laser precisos.

Além disso, você também pode notar o uso de espelhos de grafite pirolítico em configurações de laser potentes. Esses espelhos refletem os feixes de laser sem serem afetados por altas temperaturas.

Conclusão

Este é um guia detalhado sobre o grafite pirolítico. Considerando tudo em conjunto, podemos dizer que essa forma de grafite é um material versátil. Suas propriedades elétricas anisotrópicas, condutividade térmica e resistência a altas temperaturas o tornam ideal para uma ampla gama de aplicações. 

Diferentes setores o têm usado de forma diferente. Nos próximos anos, poderemos ver seu uso em várias outras tecnologias e inovações modernas

Esperamos que este guia abrangente lhe forneça informações adequadas sobre o grafite pirolítico.