A medida que los sellos mecánicos y bujes necesitan ser reemplazados o deben soportar temperaturas y presiones más elevadas, cada vez más ingenieros optan por utilizar materiales de carbón grafito en sus componentes mecánicos.
En concreto, los ingenieros se decantan por el carbón grafito y los materiales de grafito. Aunque ambos materiales pueden ayudar a mejorar el desempeño de una aplicación, su composición los hace diferentes entre sí y cada uno ofrece propiedades particulares para distintos tipos de operación.
Para entender cómo puede beneficiar un material a una aplicación, es útil comenzar con una pregunta básica: ¿qué es el carbón grafito?
Un error común es pensar que el carbón grafito y el grafito son lo mismo. La respuesta sencilla es: no, el carbón grafito y el grafito no son lo mismo. Ambos materiales tienen estructuras químicas diferentes y, por lo tanto, también presentan propiedades distintas.
En química, la disposición de los átomos en un sólido ayuda a comprender y explicar las propiedades de un material. Para entender el carbón grafito, primero es necesario revisar la estructura atómica del carbono y sus alótropos.
Cuando hablamos de carbono, existen distintos alótropos, es decir, diferentes formas en las que los átomos pueden organizarse. Dos de los más comunes son el diamante y el grafito.
El diamante se forma cuando un átomo de carbono se une covalentemente con otros tres átomos de carbono. Esto crea una estructura tetraédrica, en la que un átomo de carbono se enlaza con otros tres para formar una especie de pirámide, como se muestra en la Figura 1.
Figura 1.
El grafito, por su parte, se forma cuando un átomo de carbono establece enlaces covalentes con otros tres átomos de carbono, dejando libre un electrón de valencia. Esto da lugar a una estructura cristalina hexagonal, en la que los átomos de carbono enlazados forman un plano conocido como grafeno.
Cada capa de grafeno se mantiene unida mediante fuerzas de Van der Waals, que son significativamente más débiles que los enlaces covalentes entre átomos de carbono. La estructura química del grafito se muestra en la Figura 2.
Figura 2.Estructura atómica cristalina hexagonal del grafito
A diferencia del diamante y el grafito, los sólidos amorfos no tienen una estructura cristalina ni una disposición atómica definida. Esta diferencia se ilustra en la Figura 3.
Figura 3. Representación de los sólidos amorfos en comparación con los sólidos cristalinos
Los sólidos tienen estructuras cristalinas precisas, como se muestra en la imagen de la derecha de la figura 3, mientras que los sólidos amorfos no las tienen, tal y como se ve en la imagen de la izquierda de la figura 3. En este caso, los átomos están dispuestos de forma esporádica, sin un espaciado ni una ubicación uniformes. Por lo tanto, la fuerza de los enlaces y las distancias varían a lo largo del material.
Como resultado, el carbono amorfo puede representarse como una disposición desordenada y entrelazada, tal y como se observa en la figura 4. Esta disposición entrelazada puede reorganizarse en otro alótropo del carbono ya mencionado, el grafito, cuando se calienta a temperaturas de hasta 3000 ⁰C.
Figura 4. Representación del carbonoamorfo
La combinación de carbono amorfo y grafito es lo que constituye el «grafito de carbono». Este se obtiene tras calentar una mezcla de grafito con un aglutinante de carbono. Dado que el carbono amorfo puede reorganizarse en grafito, la mezcla de grafito de carbono puede someterse a un procesamiento adicional para obtener grafito mediante la grafitización.
La grafitización es el proceso de calentar el carbono amorfo durante un periodo prolongado, reorganizando la estructura atómica para lograr una estructura cristalina ordenada, típica de los sólidos. Durante la grafitización, los átomos de carbono se reorganizan para llenar los huecos atómicos y mejorar la disposición de los átomos.
La reorganización de los átomos en el carbon amorfo se potencia en presencia de gases oxidantes. Esto permite romper los enlaces en las regiones más desordenadas del carbono amorfo. Esto incluye lugares donde los enlaces carbono-carbono pueden entrelazarse entre planos en capas u otras zonas entrelazadas de la estructura amorfa.
El proceso de grafitización
El proceso de grafitización requiere temperaturas de hasta 3000 ⁰C. A medida que aumentan las temperaturas, se produce lo siguiente:
| Temperatura ambiente –1300 ⁰C | No se producen cambios significativos en la disposición de los átomos del carbono amorfo. Comienzan a producirse cambios estructurales mínimos. |
| 1300 °C – 2000 °C | La estructura cristalina comienza a desarrollarse. Esto indica movimiento y reorganización de los átomos. Además, la distancia entre las capas de átomos comienza a reorganizarse y a reducirse hasta asemejarse a la del grafito, tal y como se muestra en la figura 2. |
| 2000 ⁰C –3000 ⁰C | El crecimiento cristalino se intensifica y la distancia entre capas disminuye hasta asemejarse a la del grafito. |
Resultados de la grafitización
A medida que aumenta la temperatura durante la grafitización y la estructura cristalina se asemeja cada vez más a la del grafito, las propiedades mecánicas también comienzan a cambiar y se acercan a valores similares a los del grafito.
Como resultado de la grafitización, los átomos se reorganizan para adoptar la estructura cristalina de la grafita. La estructura en capas de la grafita es la responsable del aumento de las propiedades lubricantes, la resistencia a la oxidación y las propiedades térmicas, tal y como se observa en la Tabla 1.
Tabla 1. Resultados de la grafitización
| PROPIEDAD | EFECTO DE LA GRAFITIZACIÓN SOBRE LA PROPIEDAD | RAZÓN |
| Lubricidad | Aumento | Las fuerzas de Van der Waals presentes en la estructura atómica del grafito pueden romperse fácilmente, lo que permite que las capas de grafeno se deslicen y se depositen sobre una superficie de contacto para proporcionar lubricación en una aplicación. |
| Resistencia a la oxidación | Aumento | A medida que avanza la grafitización y se obtiene una estructura cristalina, hay menos átomos no enlazados, lo que se traduce en un menor número de sitios activos donde pueda iniciarse la oxidación. Como resultado, el grafito grafitizado presenta una mayor resistencia a la oxidación en comparación con el grafito de carbono. |
| Conductividad térmica | Aumento | La estructura organizada de la grafita permite que el calor fluya fácilmente a través del material y evita la acumulación localizada de calor durante su uso. |
| Coeficiente de fricción | Disminución | La estructura en capas del grafito permite que las capas de grafeno se desprendan fácilmente al rozar contra una superficie opuesta, ya que las fuerzas de Van der Waals que unen las capas de grafeno se rompen con facilidad. |
| Dureza | Disminución | Dado que las fuerzas de Van der Waals en el grafito se rompen con facilidad en comparación con la estructura amorfa entrelazada, el material es más blando. |
| Resistencia | Disminución | La estructura en capas y organizada del grafito hace que el material sea más blando y tenga menor resistencia en comparación con el grafito de carbono, más duro y resistente, que contiene carbono amorfo. |
Los grados de material pueden impregnarse como carbón grafito o como grafito. Dependiendo de los parámetros de la aplicación, una base puede ser más conveniente que la otra.
El grafito suele ser más adecuado en las siguientes aplicaciones:
Aunque estas son algunas de las aplicaciones en las que el grafito ofrece un buen rendimiento, los grados de material no se limitan a aplicaciones específicas.
Tanto el carbón grafito como el grafito tienen propiedades valiosas para aplicaciones mecánicas. Sin embargo, según las condiciones de operación y los parámetros ambientales, puede ser más conveniente utilizar uno u otro.
Para obtener más información o adquirir anillos de desgaste, ponte en contacto con un fabricante de carbón grafito.
Referencias