Fabricación de grafito y materiales cerámicos

Grafito (carbón-grafito)

 

Los materiales de carbón y grafito se fabrican conforme a métodos basados en la tecnología cerámica clásica. La materia prima, que en este caso puede ser coque de petróleo, coque de brea, hulla o grafito de una determinada granulometría, se mezcla a altas temperaturas con un aglomerante termoplástico. Este puede ser brea de base de petróleo o de alquitrán de hulla, así como resinas artificiales.apa Además, se pueden lograr toda una serie de características especiales añadiendo también a la mezcla aditivos minerales o polvos metálicos. Así por ejemplo, es característica la tradicional utilización de polvo de cobre para la fabricación de escobillas de carbón para motores de baja tensión.

 

Procesos de fabricación

El proceso de fabricación de los materiales de carbón-grafito contiene los siguientes pasos:

  1. Preparación de la materia prima
  2. Mezcla
  3. Conformación
  4. Recocido
  5. Grafitado
  6. Tratamientos especiales (impregnación)
  7. Purificación, revestimientos, mecanizado final, etc.

 

 

Mezcla de los materiales

El proceso de mezcla se realiza en extrusionadoras de dos hélices conforme a parámetros muy específicos que regulan el caudal del material, la configuración de las hélices y el perfil de temperatura.

Conformación

Conformación de carbon-grafito

 

Cuando la mezcla está lista, se comprime en las prensas de molde,  isostáticas o de extrusión, formando bloques no sinterizados conocidos como pieza verde. Este proceso se puede en frío o a temperaturas muy elevadas y la presión puede variar de 2 – 400 Mpa.

Recocido

Recocido del grafito y carbón-grafito

 

A continuación el material se introduce en el horno de recocido. Dependiedo de la calidad, dimensiones y las características deseadas, el proceso de recocido se lleva a cabo en hornos de continuo o de cargas con diferentes grados de calentamiento, temperaturas máximas (hasta 1200 ºC) y atmósfera controlada en el horno.

Durante el proceso de recocido tiene lugar la pirolisis, es decir, la descomposición del aglomerante en componentes volátiles y el carbón. Este “coque aglomerante” es el que asegura la integridad del bloque moldeado y recocido.

Después del proceso de recocido aún no existe una estructura de grafito continua en estos bloques. En esta etapa, el material se denomina “carbón-grafito”. En esta fase las propiedades son idóneas para cierto tipo de  aplicaciones mecánicas, como por ejemplo para anillos deslizantes y cojinetes para cierres mecánicos.

Grafitado

Proceso de grafitado del carbón

 

El proceso de grafitación es un segundo tratamiento térmico en el que se somete al bloque hasta los 3000 ºC, proceso que le confiere las propiedades grafíticas necesarias para múltiples aplicaciones.

Este proceso se lleva a cabo fundamentalmente según el procedimiento Acheson, según el cual se introduce el material a grafitar entre dos electrodos y se conecta como una resistencia en el circuito secundario de un transformador, alcanzándose así la temperatura de grafitado por calentamiento por resistencia.

Durante este proceso se forman por recristalización superficies grafitadas cuyas propiedades son las que caracterizan el material grafitado, que se denomina electrografito.

En comparación a los materiales no grafitados, el electrografito tiene generalmente buenas propiedades deslizantes, baja resistividad eléctrica, mayor conductividad térmica y una resistencia a la corrosión mejorada. Se utiliza para aplicaciones que requieren buen deslizamiento, alta resistencia a la corrosión química y gran resistencia al choque térmico así como en las que la alta pureza es un requisito especial o en combinaciones con otras propiedades.

Los hornos de grafitado de calor inductivo o al vacío se utilizan especialmente con frecuencia para los materiales de carbón de máxima pureza o para los reforzados con fibra de carbón (CFC, CFRC o C/C).

Impregnación

Fabricación piezas de grafito

 

Adicionalmente, acabado el proceso de fabricación del material base, se pueden aplicar numerosos procesos para generar propiedades especiales para diferentes aplicaciones.

Así por ejemplo, mediante impregnación con resina sintética,  la porosidad del carbón-grafito que puede estar entre el 18-20% se puede reducir hasta el 0,5%, esto es básico para aplicaciones donde se tenga que  impermeabilizar al gas y/o a los líquidos a cierta presión, y con la impregnación de antimonio se puede incrementar la dureza y la resistencia del material entre 2 y 5 veces.

Los materiales de carbón-grafito impregnados con resina sintética, solo pueden utilizarse hasta temperaturas de 250 ºC y los impregnados en antimonio hasta los 350 ºC

Estructura del grafito y Aglomeración

 

Estructura del grafito carbon-grafito

 

Debido a las características especiales de aglomeración de los átomos de carbón dentro de la estructura del grafito, éste se cristaliza formando capas de estructuras hexagonales. Esta estructura es la que le confiere las propiedades deslizantes, la anisotropía de la conductividad eléctrica y térmica así como el coeficiente de dilatación térmica.

Por otro lado debido a la gran resistencia de las uniones covalentes dentro de la retícula, los materiales de carbón-grafito poseen una elevada resistencia frente a los ácidos, bases, gases, etc.

La resistencia de los materiales de carbón-grafito está solamente limitada por el oxígeno y los medios altamente oxidantes. En atmósfera oxidante los materiales de carbón son estables hasta los 350 ºC mientras que los materiales de grafito empiezan a oxidarse por encima de los 600 ºC

Propiedades del carbón y derivados

 

Propiedades del grafito y carbón

Micrografías de estructura de carbón con diferente porosidad y grano

Además de las características derivadas de la estructura y aglomeración, los materiales de carbón tienen propiedades íntimamente relacionadas con el proceso de fabricación en sí. Los materiales de carbón-grafito fabricados según los métodos de fabricación anteriormente descritos tienen una microestructura poligranular y policristalina.

La porosidad es una característica especialmente afectada por el método de fabricación y puede variar de 0 a 50%. La porosidad puede definirse por el volumen de los poros y la distribución de estos. Ambas características definen materiales diferentes y métodos de fabricación diferentes. Por norma general hay materiales de porosidad abierta y cerrada. Los de porosidad abierta pueden impregnarse, mientras que los de porosidad cerrada no.

Debido a la porosidad a los diferentes grados de grafitado admisible de los materiales de carbón, todos los carbones policristalinos fabricados industrialmente muestran una menor densidad en masas que la teóricamente se calcula basándonos en la estructura cristalina ideal del grafito. Dependiendo del método de fabricación, la resistencia a la flexión y a la compresión pueden variar ampliamente. La resistencia a la flexión puede oscilar entre 10 y 150 MPa.

Materiales técnicos de grafito y carbón-grafito

Los materiales de carbón y grafito se fabrican de forma poligranular o policristalina. Esto significa que los granos de la materia prima se componen de minúsculos cristales orientados de diferentes maneras. Debido a esta estructura microcristalina el cuerpo macroscópico a menudo no muestra las propiedades anisotrópicas cristalinas del monocristal de grafito. La anisotropía de la conductividad eléctrica o del coeficiente de dilatación térmica apenas está presente en las calidades policristalinas, o al menos, está muy debilitada.

La anisotropía de las propiedades que aparecen en las calidades policristalinas de carbón, está predominantemente determinada por el procedimiento de prensado. Así por ejemplo las calidades de prensado isostático tienen una anisotropía mínima o ninguna, mientras que las calidades extruidas tienen una anisotropía más acusada. Por este motivo, cuando se indican los valores físicos de una calidad, si es por extrusión a menudo se distingue entre la propiedad medida en perpendicular o en paralelo a la dirección del grano.

Otra clase de carbón-grafito son los materiales reforzados con fibras de carbón o grafito. Se fabrican por pirolisis de fibras de polímeros, preferentemente poliacrilonitrilo (PAN) o fibras con una base especial de brea.

Las fibras de carbón se utilizan para reforzar polímeros (polímeros reforzados, CFRP-CFK), carbón (carbón reforzados con fibra de carbón CFRC, CFC ó C/C) o cerámica (composites de matriz cerámica CMC) y metales.

Los composites se utilizan normalmente cuando la aplicación requiere una alta rigidez y resistencia a la vez que un peso muy bajo. Aplicaciones para CFRP son equipamiento deportivo, componentes para aviación y tecnología espacial que no están sometidas a fuertes cargas térmicas. Para aplicaciones de altas temperaturas como por ejemplo en la industria de los semiconductores o en la construcción de  hornos de vacío se utiliza CFC y C/C.

Otra forma más económica de fibras de carbón son los fieltros de carbón que se utilizan como aislantes térmicos.

Grafito (carbón-grafito)

Post navigation