NANOFIBRAS DE CARBONO DE GRUPO ANTOLIN (GANF)

Transcripción

1 NANOFIBRAS DE CARBONO DE GRUPO ANTOLIN (GANF) 2008 FORO SOBRE Nuevos Materiales y nanotecnología 1

2 Estado del Arte de la fabricación de Nanofibras de Carbono (2) Técnica del catalizador flotante: Los parámetros caracteristicos de este proceso son: CATALYTIC SEEDS AND CARBON Temperatura: ºC. 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. CARBON NANOFIBRES GAS 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. HYDROGEN 2

3 Nanofibras de Carbono del Grupo Antolin (GANF): Morfología y distribución de diámetros TEM (Microscopía Electrónica de Transmisión) DISTRIBUCION DE DIAMETROS DE GANF SEM (Microscopía Electrónica de Barrido) Frequency Diameter (nm) 3

4 Estructura de GANF Estructura grafítica: Helicoide Ausencia de carbon amorfo pirolítico Material altamente grafítico 4

5 Productos disponibles con GANF Polvo: bolsas de 250 g de GANF Concentrados termoplásticos Suspensiones en disolventes, pinturas dispersioiones en resinas Cerámicas conductoras Nanopreg 5

6 Propiedades de las Nanofibras de Carbono GANF Las nanofibras de carbono GANF contribuyen a mejorar los materiales a los que se incorporan con las propiedades siguientes: Propiedades Eléctricas Propiedades Electroquímicas Propiedades Térmicas NANOFIBRAS DE CARBONO GANF Propiedades Tribológicas Propiedades Mecánicas 6

7 Potenciales aplicaciones de las nanofibras de carbono GANF Adhesivos conductores Microelectronica Sensores Disipación de calor Apantallamiento electomagnético Rocket ablative nanocomposite Recubrimientos y pinturas conductoras Absorción de microondas Aerospacio y Aeronautica Automóvil Sistema de conducción de combustible Paneles para pintado electrostático Electronicas embebidas Sistemas de frenado Componentes de motor Pilas de combustible: Placas bipolares Soporte catalizador Supercondensadores Baterias de ion-litio Energía NANOFIBRAS DE CARBONO GANF Electrónica Eliminación de carga electrostática Protección electromagnética Semiconductor Adhesivos conductores Microelectronica Sensores Componentes ordenadores Textiles funcionales Textil Química Soporte de catalizador 7

8 Automóvil 8

9 Nanofibras de carbono GANF en matrices poliméricas: conductividad eléctrica 1x10 12 Fuel filters Composites electrical resistivity Fuel system components O-rings Packaging materials for ESD sensitive items Boxes Transport trays Cleanroom equipment Static Discharge 1x10 8 Fuel lines Fuel tank Fuel filler cap Resistivity (Ohm cm) Injection molding e-paintable plastic parts Mirror housing Bumper Door Handles Fender Reinforced thermoset parts for electrostatic painting Exterior automotive parts Electrostatic painting 1x10 2 Fuel cells Conductive adhesives and paints EMI Shielding EMI Shielding 1x10-2 9

10 Sistema de transporte combustible: Disipación de cargas electrostáticas Líneas de combustible Nylon 11 y 12 Bomba de combustible Nylon 11 y 12 Juntas Tóricas Tanque de combustible HDPE Fluoropolímero Fuente: 10

11 Objetivos del nuevo proyecto Nanofibras de carbon GANF en matrices poliméricas para exterior: Pintado Electrostático 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 Soporte retrovisor Carrocería Aleta Defensa 11

12 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 12

13 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 13

14 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 con fibras de carbonoen una matriz de carbono reforzda adicionalmente con nanofibras de carbono frenos CERAMICA-CARBONO: materiales compuestos de matriz cerámica de altas prestaciones ( con nanofibras de carbono GANF 14

15 Mecanizado por Electroerosión (EDM) 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 Piezas de motor pueden ser obtenidas por EDM (Electro Discharge Machining) a partir de MATERIALES COMPUESTOS CERAMICA-CARBONO conteniendo nanofibras de carbono GANF 15

16 Energía 16

17 Baterías de ion-litio Cilíndrica Prismática Material activo en el ánodo Material para mejorar la conductividad en ánodo y cátodo ( GANF) 17

18 Supercapacitors or ultracapacitors Construcción de un supercondensador de doble capa eléctrica (EDLC) Material activo Material para mejorar la conductividad de los electrodos: GANF 18

19 PLACAS BIPOLARES La adición de nanofibras de carbono GANF carbon nanofibres en materiales cerámicos nanoestructurados permite conseguir excelentes propiedades mecánicas y eléctricas Comparación entre las placas bipolares comerciales de grafito de Schunk y las de cerámica nanoestructurada/ganf SCHUNK GANF-BIOKER PROPIEDADES FíSICAS Densidad (g/cm 3 ) PROPIEDADES MECÁNICAS Resistencia a Flexión (MPa) Dureza(GPa) 3 PROPIEDADES ELÉCTRICAS Resistividad (Ω cm) PROPIEDADES TÉRMICAS Conductividad térmica (W/m K)

20 Electrónica 20

21 Adhesivos con conductividad eléctrica y térmica 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 Thermal conductivity: 1950 W/mK Adhesivo con nanofibras de carbono para disipación de calor en circuitos electrónicos 21

22 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 tintas 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 nuevas tintas bajo diferentes condiciones medioambientales 22

23 Aerospacio y aeronáutica 23

24 Contribución de las nanofibras de carbono en materials 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 electromagnética Mejora de las propiedades mecánicas 24

25 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 apantallamiento electromagnético Metallic Standoff Structural Adhesive Current Approach Silver-Filled Epoxy Junction Unión estructural con adhesivo conductor para dispación de cargas electrostáticas Adhesivo conductor permite la conductividad eléctrica a lo largo de toda la estructura 25

26 Pinturas y recubrimientos con conductividad eléctrica y absorción de radar Recubrimientos para sistemas de disipación de cargas electrostáticas y protección frente al rayo Recubrimientos para apantallamiento electromagnético o de radio frecuencia para evitar interferencias Materiales absorbentes de radar (RAM, Radar Absorption Materials) en fase de investigación 26

27 Materiales compuestos multifuncionales. Sensorizacion Estructural Materials compuestos multi-funcionales conteniendo de nanofibras de carbono representan una alternativa al tradicional material compuesto con fibras de carbono en laminados y resina epoxi, contribuyendo, a la vez, con menor peso y nuevas propiedades (conductividad eléctrica y térmica, bajo coeficiente de expansión térmica) Las nanofibras de carbono contribuyen también mejorando las propiedades mecánicas en la dirección transversal del laminado 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 27

28 Materiales compuestos multifuncionales. Sistemas anti-hielo El hielo acumulado en las alas de los aviones sobrecarga la estructura. Este se puede eliminar por efecto Joule ajustando la resistencia eléctrica mediante la incoprporación de nanofibras de carbono en la matriz polimérica. Uniform heating of composite material Q = R I 2 t (Joule Effect) 28

29 Materiales compuestos multifuncionales. Propiedades mecánicas Las nanofibras de carbono incrementan fácilmente la rigidez de las resinas La optimización de las características de la superficie 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 los materiales compuestos, perpendicular a los laminados con fibra de carbono larga 29

30 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 propiedades tribológicas 30

31 Espejos para aplicaciones espaciales Nanofibras de Carbono GANF como segundas fases en LAS ( Li2O-Al2O3-SiO2), mejoran la estabilidad dimensional y las propiedades térmicas y eléctricas en estos materiales compuestos 31

32 Programas de ayuda 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 Nanotecnología (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 32

33 NANOFIBRAS DE CARBONO DE GRUPO ANTOLIN (GANF) 2008 FORO SOBRE Nuevos Materiales y nanotecnología Gracias 33