Development and Characterization of a Novel Graphite-matrix Composite Material for Thermal Management Applications

Este proyecto fin de carrera se ha llevado a cabo en el CERN, la Organización Europea para la Investigación Nuclear. El CERN está ubicado en Ginebra (Suiza), pero algunas instalaciones cruzan la frontera franco-suiza. En el CERN se estudia la estructura más interna y la física de la materia con la ayuda de haces de partículas de alta energía. La energía del haz en el acelerador de partículas más grande del mundo, el "Large Hadron Collider" (LHC) del CERN, es equivalente a la necesaria para fundir una tonelada de cobre en pocos μs y está concentrada en un diámetro de menos de 2mm. Los equipos de control e intercepción del haz, en concreto los colimadores, son necesarios para usar estos haces de alta energía, y sus materiales deben resistir uno de los entornos más duros creados por el hombre. Esto requiere el desarrollo de nuevos materiales avanzados, ya que no hay ninguna combinación de propiedades físicas, térmicas, eléctricas y mecánicas que resista las extremas condiciones de trabajo de los colimadores. Los materiales compuestos basados en diamante o grafito son las principales familias investigadas para esta aplicación. El programa de investigación que se está llevando a cabo en el CERN para estos materiales, que incluye acuerdos de colaboración, está focalizado principalmente en la investigación teórica, el proceso de producción, la caracterización del material y su validación. Además de "física de alta energía", estos materiales son particularmente interesantes para aplicaciones exigentes de transferencia de calor, como por ejemplo, encapsulado electrónico de alta densidad de potencia, sistemas aeronáuticos y aeroespaciales, centrales nucleares, dispositivos de microondas y radiofrecuencia, componentes de motores a reacción, o sistemas de frenado avanzado para automóviles o aeronaves. El interés que tiene el CERN para transferir el conocimiento internamente desarrollado hacia la sociedad explica la motivación de este proyecto fin de carrera. Los logros obtenidos en los materiales para los equipos de control e intercepción del haz de partículas del CERN, dieron lugar a este PFC con el objetivo de diseñar un material puntero en aplicaciones de transferencia de calor, que fuera económicamente viable en la industria. Al comienzo del trabajo, se estudiaron varios materiales compuestos de matriz grafítica, que estaban en proceso de desarrollo para los colimadores. Éstos han sido el material de referencia para la investigación. Entre ellos, había algunos materiales hechos con compuestos de boro, que se descartaron desde el principio, ya que el boro forma una solución sustitucional en el grafito que disminuye considerablemente sus propiedades térmicas y eléctricas originales. Durante el desarrollo del proyecto, se realizó un estudio detallado del proceso de grafitización catalizada. De esta forma, se podría seleccionar el compuesto más adecuado, que permitiera obtener una matriz grafítica altamente orientada y conexa. Debido, entre otras propiedades, a su habilidad de disolver, difundir y precipitar carbono en estado fundido, la evaluación concluyó que el elemento más apropiado era el níquel. Una vez decidido el compuesto, llamado Níquel-Grafito (NiGr), se diseñó su composición y procesado, siguiendo con la caracterización termo-mecánica, eléctrica y micro-estructural. Finalmente, se pudieron probar dos grados diferentes, uno de los cuales tiene propiedades muy interesantes para ciertas aplicaciones de transferencia de calor.