La manta de carbono resistente a altas temperaturas se utiliza en hornos de tratamiento térmico y hornos de fundición de silicio monocristalino.

La manta de carbono es un material puro de carbono, blando, poroso y en forma de fieltro, compuesto por fibras de carbono entrelazadas de manera desordenada. Se fabrica mediante el apilamiento de fibras y un proceso de punzonado, seguido de un tratamiento de pirólisis a alta temperatura, lo que hace que su elemento principal sea el carbono. Es esencialmente un conjunto de fibras de carbono, no un bloque sólido de carbono, lo que le confiere propiedades integrales únicas: combina la resistencia a altas temperaturas y la estabilidad química del carbono con la flexibilidad de las fibras y la excelente capacidad aislante de los materiales porosos.
 

En el ámbito industrial, la manta de carbono se distingue comúnmente de la manta de grafito (Graphite Felt). La principal diferencia entre ambas radica en la temperatura del tratamiento térmico:

Manta de carbono: generalmente se somete a un proceso de carbonización a temperaturas entre 1000°C y 1500°C, donde los átomos de carbono presentan una estructura desordenada en capas, perteneciendo microscópicamente al carbono no grafitizado.

Manta de grafito: se obtiene a partir de la manta de carbono mediante un proceso de grafitización a altas temperaturas entre 2200°C y 3000°C. Este proceso transforma la estructura desordenada en una estructura cristalina de grafito tridimensional ordenada.

Por lo tanto, la manta de grafito tiene un mayor grado de grafitización, mejor conductividad térmica y eléctrica, mayor pureza y mayor rigidez, pero también un costo más elevado. La manta de carbono se enfoca más en una excelente capacidad aislante y economía.

Características de la manta de carbono

1. Resistencia a altas temperaturas

En atmósfera inerte: bajo vacío o protección de gases inertes (como argón), la manta de carbono puede soportar temperaturas de hasta 3000°C sin fundirse (el punto de sublimación del carbono es aproximadamente 3600°C), siendo uno de los materiales más resistentes al calor conocidos.

Baja resistencia a la oxidación: en aire, cuando la temperatura supera los 400°C, el carbono comienza a oxidarse y quemarse. Por lo tanto, en aplicaciones de alta temperatura reales, debe usarse en combinación con vacío o atmósfera inerte, o recubrirse con una capa antioxidante.

2. Excelente aislamiento térmico (baja conductividad térmica)

La manta de carbono está compuesta por una gran cantidad de fibras de carbono desordenadas, con numerosos poros entre ellas. Estos poros bloquean eficazmente la conducción y convección del calor, convirtiéndola en un material aislante de alto rendimiento para altas temperaturas. Su capacidad aislante es mucho mejor que la de las fibras cerámicas tradicionales.

3. Baja capacidad térmica e inercia térmica

La manta de carbono es muy ligera, con baja densidad (aproximadamente 0.1-0.2 g/cm³), por lo que su capacidad térmica es pequeña. Esto significa que absorbe y almacena poca cantidad de calor, calentándose y enfriándose rápidamente, lo que favorece el ahorro energético y mejora la eficiencia del control de temperatura en hornos industriales.

4. Buena estabilidad química

Excepto que a altas temperaturas puede ser corroída por agentes oxidantes fuertes (como el oxígeno), la manta de carbono tiene una excelente resistencia a la corrosión frente a la mayoría de ácidos, álcalis, soluciones salinas y disolventes orgánicos. Tampoco reacciona con la mayoría de metales fundidos a altas temperaturas.

5. Flexibilidad y procesabilidad

A diferencia de las mantas duras de grafito o placas de grafito tradicionales, la manta de carbono es blanda, fácil de cortar, doblar y envolver en diversas formas complejas, lo que facilita mucho su instalación.

6. Conductividad eléctrica

El carbono es un buen conductor, por lo que la manta de carbono también es conductora. Esta característica permite que se use directamente como elemento calefactor (generando altas temperaturas mediante su resistencia eléctrica al pasar corriente), siendo un componente clave en muchos diseños de hornos de vacío.

Aplicaciones de la manta de carbono

1. Material clave para hornos de vacío/atmósfera a alta temperatura

Pantalla aislante/capa de aislamiento: en hornos de sinterización al vacío, hornos de soldadura fuerte, hornos de carbonización y hornos de tratamiento térmico, la manta de carbono se utiliza para fabricar cubiertas aislantes que separan la zona de alta temperatura de las paredes del horno, reduciendo significativamente la pérdida de calor y mejorando la eficiencia energética.

Elemento calefactor: la manta de carbono se procesa en formas específicas (como en forma de barra o placa) y se conecta a corriente eléctrica de bajo voltaje y alta corriente; su resistencia genera altas temperaturas, sirviendo como fuente de calor del horno.

2. Campo de crecimiento de cristales

En el proceso de crecimiento de cristales de silicio monocristalino (material base para fotovoltaicos y semiconductores) y zafiro (substrato para LED), se utiliza el horno de cristalización por tracción (horno CZ). La manta de carbono es un componente clave del sistema térmico (jaula aislante, calentador, soporte del crisol, etc.), proporcionando un ambiente de alta temperatura uniforme, estable y puro para el crecimiento cristalino.

3. Industria aeroespacial

Se utiliza como capa aislante en las toberas y conos de cohetes para resistir el flujo de gases a alta temperatura.

Se emplea en sistemas de protección térmica (TPS) para vehículos hipersónicos, como uno de los materiales principales de la base térmica, para resistir el extremo calentamiento aerodinámico durante la reentrada atmosférica.

4. Nuevas energías y almacenamiento de energía

Pilas de combustible: se usa como capa de difusión de gases (GDL), facilitando la conducción de electrones, la difusión de gases reactivos, la expulsión del agua producida en la reacción y el soporte de la capa catalítica.

Baterías de flujo: como material de electrodo, aprovecha su gran área superficial específica y excelente conductividad para reacciones electroquímicas.

5. Otras aplicaciones industriales

Industria del aluminio: se utiliza para filtrar aluminio fundido y eliminar impurezas.

Bandejas de sinterización: en la industria de la metalurgia de polvos, soporta piezas durante la sinterización a alta temperatura sin reaccionar con ellas.

Producción de grafito de alta pureza: la manta de carbono es un fieltro blando que, tras un tratamiento de grafitización a alta temperatura, puede transformarse en una manta dura de grafito con estructura más densa y mejores propiedades.

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