Desarrollo de materiales grafiticos dopados con carburos metalicos para aplicaciones de fusion nuclear

Resumen

El propósito de esta tesis ha sido el estudio y desarrollo de materiales grafiticos densos dopados con carburos metálicos, con buenas propiedades termomecánicas, baja erosión química por bombardeo de hidrógeno y bajo coste, a partir de tres precursores distintos basados en mesofase carbonosa. Con ello se ha pretendido sentar las bases para el posterior desarrollo industrial de un material que pueda ser competitivo con los actuales candidatos para las zonas más criticas de la primera pared de futuras instalaciones de fusión nuclear. Para la obtención de materiales grafiticos se empleó la ruta de procesamiento de la pulvimetalurgia. Se utilizaron tres precursores carbonosos diferentes: mesofases procedentes de residuos de petróleo (suministradas por Repsol-YPF y la Universidad de Alicante), mesofase de brea de alquitrán de hulla (comercializada por Osaka Gas) y brea de mesofase sintética, obtenida a partir de la polimerización de naftaleno (comercializada por Mitsubishi Gas Chemical). Como dopantes se añadieron los siguientes carburos metálicos: Tic, ve, WC y ZrC. Las escasas cantidades disponibles de las mesofases de residuos de petróleo únicamente permitieron establecer las pautas para optimizar la ruta de procesamiento y verificar el efecto catalizador de algunos carburos. Para los otros dos precursores estudiados fue posible optimizar la ruta de procesamiento. Para ello se consideraron las propiedades finales medidas tras la carbonización y la grafitización (densidad, nivel de porosidad, desarrollo de los cristales grafiticos, conductividad térmica, propiedades mecánicas, distribución de dopantes...) . Para evitar el agrietamiento de las muestras de una segunda partida de la mesofase de Osaka Gas durante los ciclos térmicos fue necesario incrementar su termoplasticidad añadiendo un ligante orgánico durante la etapa de mezcla, se analizó el efecto de una parafina y de la brea de mesofase sintética AR, y se comprobó que son necesarias cantidades muy pequeñas de ligante para obtener un material denso, con un nivel de porosidad muy bajo y buenas propiedades mecánicas. Se desarrolló grafito denso, dopado y sin dopar, a partir de la brea de mesofase sintética AR, aunque fue necesario someter al polvo de partida a una etapa adicional de estabilización oxidativa a bajas temperaturas para reducir su excesiva termoplasticidad durante la carbonización. De este modo de evitó la distorsión de los compactos durante su sinterización. Además, se comprobó que variando diversos parámetros de la ruta de procesamiento es posible desarrollar materiales grafiticos con unas propiedades finales ajustables a los requerimientos marcados, a partir de un precursor de elevada grafitizabilidad, normalmente utilizado en la producción de fibras y espumas grafiticas. Por último, se propone un mecanismo para la grafitización catalizada por carburos metálicos, a partir del modelo S-L-S normalmente aplicado en la producción de nanotubos. Se comprobó que, de los 4 carburos añadidos como dopantes, Tic y ZrC permiten obtener materiales grafiticos con mayor conductividad, aunque para ZrC son necesarias elevadas temperaturas de grafitización. VC comienza a catalizar la grafitización a menores temperaturas, pero su efecto catalizador es reducido. Por otro lado, wc demostró ser poco efectivo como catalizador.