Textiles en céramique, pales de moteur à réaction améliorées, Les céramiques imprimées en 3D et de meilleures batteries pourraient bientôt devenir une réalité, grâce à un polymère récemment breveté par un ingénieur de la Kansas State University.

En utilisant cinq ingrédients—silicium, bore, carbone, azote et hydrogène—Gurpreet Singh, Harold O. et Jane C. Massey Neff professeur agrégé de génie mécanique et nucléaire, a créé un polymère liquide qui peut se transformer en une céramique avec une valeur thermique, propriétés optiques et électroniques. Le polymère aqueux, qui devient une céramique lorsqu'elle est chauffée, peut également être produit en série.

"Ce polymère est un matériau utile qui fonctionne vraiment, " a déclaré Singh. " De tous les matériaux que nous avons recherchés au cours des cinq dernières années, ce matériau est le plus prometteur. Maintenant, nous pouvons penser à utiliser la céramique là où vous ne pourriez même pas imaginer. »

Singh est l'inventeur principal du brevet, "Silazanes modifiés au bore pour la synthèse de céramiques SiBNC." Romil Bhandavat, 2013 Doctorat en génie mécanique, est un co-inventeur.

Les ingénieurs ont développé le polymère transparent qui ressemble à de l'eau et a la même densité et viscosité que l'eau, contrairement à certains autres polymères contenant du silicium et du bore.

"Nous avons créé un liquide qui reste liquide à température ambiante et qui a une durée de conservation plus longue que les autres polymères SiBNC, " dit Singh. " Mais quand tu chauffes notre polymère, il subit une transition liquide à solide. Ce polymère liquide transparent peut se transformer en un très noir, céramique vitreuse."

Les céramiques sont précieuses car elles résistent à des températures extrêmes et sont utilisées pour une variété de matériaux, y compris les bougies d'allumage, moteurs à réaction, des fours à haute température ou encore des matériaux d'exploration spatiale.

En tant que polymère précéramique, Singh a déclaré que le matériau liquide a plusieurs propriétés importantes.

• Le polymère est de faible densité et peut créer des céramiques légères au lieu des céramiques lourdes habituelles.
• Le polymère est évolutif et peut être produit en masse en grammes ou en kilogrammes.
• La céramique dérivée de ce polymère peut survivre à des températures extrêmes pouvant atteindre environ 1, 700 degrés Celsius. Or la céramique a une masse volumique trois à six fois inférieure à celle des autres céramiques à ultra haute température, tels que le borure de zirconium et le carbure d'hafnium.
• Le polymère peut fabriquer des fibres céramiques. Si le polymère est chauffé à environ 50 à 100 degrés Celsius, il devient un gel semblable au sirop ou au miel. Pendant cet état de gel, le polymère peut être tiré en cordes ou en fibres pour créer des textiles en céramique ou des mailles en céramique.
• Le polymère liquide a une flexibilité de traitement. Il peut être versé dans des moules et chauffé pour réaliser avec précision des formes céramiques complexes.
• Parce que le polymère est un liquide, il est pulvérisable ou peut être utilisé comme peinture pour réaliser des revêtements céramiques. La céramique peut protéger les matériaux en dessous ou peut créer des machines plus efficaces qui fonctionnent dans des environnements à haute température, comme les turbines à vapeur ou les aubes de moteurs à réaction. Le polymère peut également être utilisé pour l'impression 3D de pièces en céramique à l'aide d'une imprimante SLA de paillasse.
• Lorsqu'il est combiné avec des nanotubes de carbone, le polymère a encore plus d'applications. Il peut créer un matériau noir qui peut absorber toute la lumière, même la lumière ultraviolette et infrarouge, sans être endommagé. Le nanomatériau combiné peut résister à une chaleur extrême de 15, 000 watts par centimètre carré, ce qui est environ 10 fois plus de chaleur qu'une tuyère de fusée.
• Le polymère pourrait être utilisé pour produire de la céramique avec une conductivité électrique réglable allant de l'isolant au semi-conducteur.
• La présence de silicium et de carbone de type graphène dans la céramique peut améliorer les électrodes pour les batteries lithium-ion.
• La céramique dérivée de ce polymère a une structure aléatoire qui n'est généralement pas observée dans les céramiques traditionnelles. Le silicium dans la céramique se lie à l'azote et au carbone mais pas au bore; le bore se lie à l'azote mais pas au carbone; et le carbone se lie à un autre carbone pour former des chaînes semblables au graphène. Cette structure unique offre une stabilité à haute température en retardant la réaction avec l'oxygène.

"Souvent, les chercheurs n'ont examiné que les propriétés à haute température, " a déclaré Singh. "Nous sommes parmi les rares qui ont examiné d'autres propriétés, telles que l'électronique, électrochimique, propriétés thermiques et optiques - et exposé ces propriétés dans ce matériau."

Les recherches de Singh ont été soutenues par l'équipe de radiométrie du National Institute of Standards and Technology et la National Science Foundation. Il poursuit ses recherches sur les possibilités du polymère pour fabriquer des fibres céramiques et même des électrodes de batterie.

Le brevet a été délivré à la Kansas State University Research Foundation, une société à but non lucratif chargée de gérer les activités de transfert de technologie à l'université.