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NANOFIBRAS DE CARBONO DE NANOFIBRAS DE CARBONO DE GRUPO ANTOLIN (GANF)GRUPO ANTOLIN (GANF)
2008 FORO SOBRE2008 FORO SOBRENuevos Materiales y nanotecnologNuevos Materiales y nanotecnolog ííaa
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Los parámetros caracteristicos de este proceso son:
• Temperatura: 1050 - 1100ºC.• Partículas catalíticas: Elementos del groupo
VIII de la tabla periódica tales como hierro, níquel o cobalto, o aleaciones de ellos.
• Fuente de Carbono: Hidrocarburos tales como benceno, n-hexano, metano y acetileno.
El catalizador metálico se introduce de manera continua por la parte superior de la cámara de reacción. El catalizador desciende a lo largo del horno y los hidrocarburos se descomponen sobre la superficie del catalizador dando lugar al crecimiento y engrosamiento de las nanofibras de carbono.
Estado del Arte de la fabricación de Nanofibras de Carbono (2)
Técnica del catalizador flotante :
HYDROGEN
GAS
CATALYTIC SEEDS
AND CARBON
CARBON
NANOFIBRES
HYDROGEN
GAS
CATALYTIC SEEDS
AND CARBON
CARBON
NANOFIBRES
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Nanofibras de Carbono del Grupo Antolin (GANF):Morfología y distribución de diámetros
Diameter (nm)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200
Fre
quen
cy
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
DISTRIBUCION DE DIAMETROS DE GANF
TEM (Microscopía Electrónica de Transmisión)
SEM (Microscopía Electrónica de Barrido)
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Estructura grafítica: Helicoide
Ausencia de carbon amorfo pirolítico
Material altamente grafítico
Estructura de GANF
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Productos disponibles con GANF
Polvo: bolsas de250 g de GANF
Concentrados termoplásticos
Suspensiones en disolventes, pinturas
dispersioiones en resinas
NanopregCerámicas conductoras
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Propiedades de las Nanofibras de Carbono GANF
PropiedadesPropiedadesElElééctricasctricas
PropiedadesPropiedadesTTéérmicasrmicas
PropiedadesPropiedadesMecMecáánicasnicas
PropiedadesPropiedadesTribolTribol óógicasgicas
PropiedadesPropiedadesElectroquElectroqu íímicasmicas
NANOFIBRASNANOFIBRASDEDE
CARBONOCARBONOGANFGANF
Las nanofibras de carbono GANF contribuyen a mejora r los materiales a los que se incorporan con las propiedades siguientes:
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Potenciales aplicaciones de las nanofibras de carbo no GANF
Adhesivos conductoresMicroelectronica
SensoresDisipación de calor
Apantallamiento electomagnéticoRocket ablative nanocomposite
Recubrimientos y pinturas conductorasAbsorción de microondas
Sistema de conducción de combustiblePaneles para pintado electrostáticoElectronicas embebidasSistemas de frenadoComponentes de motor
Eliminación de carga electrostáticaProtección electromagnéticaSemiconductorAdhesivos conductoresMicroelectronicaSensoresComponentes ordenadores
Pilas de combustible:Placas bipolares
Soporte catalizadorSupercondensadores
Baterias de ion-litio
AutomAutom óóvilvil
EnergEnerg ííaaNANOFIBRASNANOFIBRAS
DE DE CARBONOCARBONO
GANFGANF
AerospacioAerospacioyy
AeronauticaAeronautica
ElectrElectr óónicanica
QuQuíímicamicaTextilTextil Soporte de catalizadorTextiles funcionales
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Nanofibras de carbono GANF en matrices poliméricas: conductividad eléctrica
Composites electrical resistivity
Res
istiv
ity (
Ohm
·cm
)
Static Discharge
EMI Shielding
Electrostatic painting
1x10 12
1x10 8
1x10 2
1x10 -2
Packaging materials for
ESD sensitive items
Boxes Transport trays
Fuel tank Fuel lines Fuel filler
cap
O-rings Fuel filters
Fuel s ystem components
Bumper Fender
Door Handles Mirror
housing
Injection moldi ng e-paintable plastic parts
Conductive adhesives and paints
EMI Shielding Fuel cells
Reinforced thermoset parts for electrostatic painting
Exterior automotive parts
Cleanroom equipment
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Juntas Tóricas
Fluoropolímero
Tanque de combustible
HDPE
Líneas de combustible
Nylon 11 y 12
Bomba de combustible
Nylon 11 y 12
Sistema de transporte combustible:Disipación de cargas electrostáticas
Fuente: http://www.automotive.dupont.com/en/systems/fuelSys/fuelDelivery.html
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Objetivos del nuevo proyecto 2005-2006
Nanofibras de carbon GANF en matrices poliméricas p ara exterior: Pintado Electrostático
Soporte retrovisor DefensaAleta
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Las gotas de pintura salen de la boquilla con una carga proporcional al voltaje
La carrocería del coche conectada a tierra atrae las cargas
El material compuesto de matriz polimérica puede ser pintado junto con el resto de la carrocería y tratado al mismo tiempo que los materiales metálicos
Ventajas
Superficie uniforme y capa muy fina
Muy buen acabado
Menores necesidades de pintura
Reducción de costes
Bajas emisiones
Carrocería
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Procesos de fabricación de Materiales Compuestos de matriz polimérica termoestable
Consolidation by vacuum (bag)
Consolidation by resin pressure
Consolidation by press
Three types of consolidation
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Nanomateriales compuestos sinterizados
Nanomateriales compuestos con alta densidad conteniendo nanofibras de carbono obtenidos por sinterización a baja temperatura son interesantes en un amplio rango de aplicaciones industriales
Sinterización no convencional SPS ( Spark Plasma Sintering)
•Técnica novedosa de sinterización permite una fabricación rápida de un material denso
•El sinterizado se consigue por un calentamiento por el paso de una corriente pulsada de alto amperaje atravesando la muestra
y presión uniaxial.
Materiales densos de nanofibras de carbono GANF con propiedades eléctricas y mecánicas semejantes al grafito han sido onbtenidos con esta técnica
Materiales compuestos densos de nanofibras de carbono en diferentes proporciones con alúmina nanométrica, LAS, ... han sido obtenidos con esta técnica
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Frenos de altas prestaciones
Las Nanofibras de carbon GANF pueden ser utilizadas en discos y pastillas de frenos de altas prestaciones, since they present excellent tribological properties:
Frenos CARBONO-CARBONO: materiales compuestos C-C c on fibras de carbonoen una matriz de carbono reforzda adicionalm ente con nanofibras de carbono
frenos CERAMICA-CARBONO: materiales compuestos de m atriz cerámica de altas prestaciones ( http://www.nanoker-society.org/ ) con nanofibras de carbono GANF
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Mecanizado por Electroerosión (EDM)
Piezas de motor pueden ser obtenidas por EDM (Elect ro Discharge Machining) a partir de MATERIALES COMPUESTOS CERAMICA-CARBONO conteniendo nanofibras de carbono GANF
Arranque de material mediante arco eléctrico entre la pieza y el electrodo en un medio dieléctrico. Esta técnica permite el mecanizado de materiales independientemente de su dureza
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Baterías de ion-litio
Cilíndrica
Prismática
Material activo en el ánodo
Material para mejorar la conductividad en ánodo y cátodo ( GANF)
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Construcción de un supercondensador de doble capa eléctrica (EDLC)
Supercapacitors or ultracapacitors
Material activo
Material para mejorar la conductividad de los Material para mejorar la conductividad de los electrodos: GANFelectrodos: GANF
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PLACAS BIPOLARES
SCHUNK GANF-BIOKER
PROPIEDADES FíSICAS
Densidad (g/cm3) 1.90 2.00
PROPIEDADES MECÁNICAS
Resistencia a Flexión (MPa) 40 80
Dureza(GPa) 3
PROPIEDADES ELÉCTRICAS
Resistividad (Ω⋅cm) 10-2 10-2
PROPIEDADES TÉRMICAS
Conductividad térmica (W/m·K) 55 50
La adición de nanofibras de carbono GANF carbon nan ofibres en materiales cerámicos nanoestructurados http://www.nanoker-society.org/ permite conseguir excelentes propiedades mecánicas y eléctricas
Comparación entre las placas bipolares comerciales de grafito de Schunk y las de cerámica nanoestructurada/GANF
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Adhesivos con conductividad eléctrica y térmica
Adhesivo con nanofibras de carbono para disipación de calor en circuitos electrónicos
Thermal conductivity:
1950 W/mK
Adición de nanofibras de carbono GANF al adhesivo mejora considerablemente su conductividad térmica
Sustitución del contenido metálico en adhesivos comerciales por nanofibras de carbono GANF permite una reducción de peso
El coeficiente de expansión térmica (CTE) de las nanofibras de carbono es mucho menor que el de los metales, esto contribuye a mejorar la estabilidad dimensional de los adhesivos conductores
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Tintas conductoras
En general, las tintas conductoras poseen pobres propiedades mecánicas, es posible mejorarlas mediante la incorporación de nanofibras de carbono en vez de partículas mecánicas.
Las nanofibras de carbono son un excelente material para mejorar las propiedades mecánicas de las tinta s y al mismo tiempo dotarlas de conductividades térmica y eléctrica.
Las tintas conductoras basadas en nanofibras de carbono pueden ser usadas en circuitos eléctricos flexibles
Es necesario estudiar la degradación de estas nueva s tintas bajo diferentes condiciones medioambientales
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Contribución de las nanofibras de carbono en materi als usados en la industria aeronáutica
Nanofibras de Carbono GANF pueden utilizarse en diferentes materiales en la industria aeronáutica :
Adhesivos
Tintas
Pinturas y recubrimientos
Materiales compuestos multifuncionales
Buckypapers
contribuyendo principalmente a:
Impartir propiedades eléctricas y térmicas
Permitir una sensorización estructural
Sistemas de calentamiento anti-hielo
Sistemas de protección frente al rayo
Disipación electroestática y protección electromagn ética
Mejora de las propiedades mecánicas
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Adhesivos con conductividad eléctrica
La modificación de adhesivos estructurales con nanofibras de carbono permite alcanzar una elevada altas conductividades eléctricas manteniendo o mejorando las propiedades mecánicas del adhesivo
Adhesivos con capacidad de disipación de cargas electrostáticas, que permitan el diseño de estructuras con protección frente al rayo
Se pueden hacer formulaciones de adhesivos base epoxi con nanofibras de carbono con conductividades eléctricas que permiten su utilización en antenas o sistemas de apantallamient o electromagnético
1.00 1.00
Silver-Filled Epoxy Junction
Current Approach
Metallic Standoff
Structural Adhesive
1.00 1.00
Silver-Filled Epoxy Junction
Metallic Standoff
Structural Adhesive
Adhesivo conductor permite la conductividad eléctrica a lo largo de toda la estructura
Unión estructural con adhesivo conductor para dispación de cargas electrostáticas
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Pinturas y recubrimientos con conductividad eléctri ca y absorción de radar
Recubrimientos para sistemas de disipación de carga s electrostáticas y protección frente al rayo
Recubrimientos para apantallamiento electromagnétic o o de radio frecuencia para evitar interferencias
Materiales absorbentes de radar (RAM, Radar Absorpt ion Materials) en fase de investigación
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Materials compuestos multi-funcionales conteniendo de nanofibras de carbono representan unaalternativa al tradicional material compuesto con fibras de carbono en laminados y resina epoxi, contribuyendo, a la vez, con menor peso y nuevas pr opiedades (conductividad eléctrica y térmica, bajo coeficiente de expansión térmica)
Las nanofibras de carbono contribuyen también mejor ando las propiedades mecánicas en la dirección transversal del laminado
Materiales compuestos multifuncionales.Sensorizacion Estructural
Las nanofibras de carbono interconectadas dentro de la matriz polimérica actuarian como una red sensorial similar a las neuronas en el cuerpo humano
Las propiedades sensoriales de las nanofibras de carbono permitirían una “sensorización estructural” de la estructura a través de la monitorización de los posibles cambios en la resistencia eléctrica entre puntos críticos
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El hielo acumulado en las alas de los aviones sobre carga la estructura. Este se puede eliminar por efecto Jo ule ajustando la resistencia eléctrica mediante la incoprporación de nanofibras de carbono en la matri z polimérica .
Materiales compuestos multifuncionales.Sistemas anti-hielo
Q = R · I2 · t (Joule Effect)
Uniform heating of composite material
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Materiales compuestos multifuncionales.Propiedades mecánicas
Las nanofibras de carbono incrementan fácilmente la rigidez de las resinas
La optimización de las características de la superf icie permite obtener una buena adhesión con la matriz mejorando la resistencia mecánica del material
Adicionalmente se han observado mejoras en otras propiedades (tribológicas, fatiga y ductibilidad)
También se mejoran las propiedades en el eje Z en l os materiales compuestos, perpendicular a los laminado s con fibra de carbono larga
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Materiales compuestos para Sistemas de Frenado
Las nanofibras de carbono GANF pueden ser usadas en materiales compuestos para sistema de frenado de aviones debido a sus propieda des tribológicas
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Nanofibras de Carbono GANF como segundas fases en L AS ( Li2O-Al2O3-SiO2), mejoran la estabilidad dimensional y las propiedade s térmicas y eléctricas en estos materiales compuestos
Espejos para aplicaciones espaciales
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El desarrollo inicial de la fibra recibió ayudas de los programas:
ATICA PROFIT ADE CyL
Para el desarrollo de aplicaciones innovadoras:
NACAR CRAFT CENIT DOMINO NANOKER (VI Programa Marco)
Han colaborado:
Las Universidades de Alicante, Oviedo, Complutense y Zaragoza
CSIC: Centro de Investigación en Nanociencia y Nano tecnología (Oviedo)
Instituto de Cerámica y Vidrio (Madrid)
Instituto Nacional del Carbón (Oviedo)
Instituto de Ciencias de Materiales (Madrid)
Instituto de Estructura de la Materia (Madrid)
Instituto tecnológico CIDAUT
Programas de ayuda
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