Crédit :Organisation australienne pour la science et la technologie nucléaires (ANSTO)
Technologie d'imagerie infrarouge (IR) au synchrotron australien, développé spécifiquement pour l'analyse des fibres de carbone, a contribué à une meilleure compréhension des changements chimiques qui affectent la structure dans la production de fibres de carbone haute performance utilisant un matériau précurseur.
Une collaboration de recherche menée par Carbon Nexus, un centre de recherche mondial sur la fibre de carbone à l'Université Deakin, Université de technologie de Swinburne et membres de l'équipe de microspectroscopie infrarouge du synchrotron australien, vient de publier un article dans le Journal de la chimie des matériaux A qui a permis d'identifier et d'expliquer les changements structurels importants qui se produisent lors de la production de fibres de carbone.
La recherche a été entreprise pour élucider la transformation chimique exacte se produisant pendant le traitement thermique du polyacrylonitrile (PAN), qui a produit des changements structurels.
La majorité des fibres de carbone commerciales sont fabriquées à partir de PAN, mais il y a eu une imperfection qui s'est produite pendant la production qui a affecté ses propriétés matérielles.
Étant donné que la conversion du PAN en fibre de carbone ne s'est pas produite uniformément à travers la fibre, il en a résulté une structure de noyau de peau.
Les fabricants veulent empêcher la formation de la structure peau-noyau afin d'améliorer la résistance des fibres.
La recherche dirigée par le Dr Nishar Hameed fournit la première définition quantitative du développement de la structure chimique le long de la direction radiale des fibres PAN en utilisant l'imagerie IR haute résolution.
Distribution chimique des groupes fonctionnels nitrile (C≡N) et C=N a) 0-min b) 12-min et c) 24 min de fibres PAN traitées (avec des tracés de contour 3D des groupes fonctionnels correspondants indiqués sur le côté droit) . Crédit :Organisation australienne pour la science et la technologie nucléaires (ANSTO)
"Bien qu'il y ait plus d'un demi-siècle que les fibres de carbone ont été développées pour la première fois, les transformations chimiques exactes et le développement réel de la structure pendant le traitement thermique sont encore inconnus".
« Le résultat scientifique le plus important de cette étude est que les réactions chimiques critiques pour le développement de la structure se sont produites à un rythme plus rapide dans le cœur de la fibre pendant le chauffage, perturbant ainsi la croyance vieille de plus de 50 ans selon laquelle cette réaction se produit à la périphérie de la fibre en raison de la chaleur directe."
Une multitude de techniques expérimentales dont la spectroscopie IR ont confirmé que les différences structurelles évoluaient le long de la direction radiale des fibres, qui a produit l'imperfection.
La différence entre la peau et le noyau dans les fibres stabilisées a évolué à partir de différences dans le mécanisme de réticulation des chaînes moléculaires de la peau au noyau.
Les informations pourraient potentiellement aider les fabricants à améliorer le processus de production et conduire à de meilleures fibres.
"En utilisant une technique appelée Réflexion Totale Atténuée (ATR) pour focaliser le faisceau synchrotron, la ligne de faisceau infrarouge a permis à l'équipe de recherche d'acquérir des images à travers des fibres individuelles, pour voir où les triples liaisons carbone-carbone dans le PAN étaient converties en doubles liaisons, " a déclaré le Dr Mark Tobin, Scientifique principal, RI, au synchrotron australien, qui est co-auteur avec le Dr Pimm Vongsvivut et le Dr Keith Bambery.
Carbon Nexus exploite la ligne pilote de fibre de carbone la plus personnalisée au monde. Crédit :Organisation australienne pour la science et la technologie nucléaires (ANSTO)
"Des études IR précédentes ont été menées sur des faisceaux de fibres et des fibres en poudre, alors que nous avons pu analyser la section transversale de filaments simples."
Pour acquérir des images détaillées des fibres, qui ne font que 12 microns de diamètre, l'équipe IR a modifié la ligne de lumière pour l'expérience en utilisant un cristal de germanium hautement poli pour focaliser le faisceau IR sur les fibres.
Des cartes basées sur le synchrotron à haute résolution ont confirmé que la concentration de nitrile (C≡N) était plus élevée dans les zones où les groupes fonctionnels C=N étaient plus faibles.
"Le nitrile (C≡N) est remplacé par C=N au fur et à mesure que le PAN passe par le processus de conversion en fibre de carbone. Cela se fait plus rapidement au milieu des fibres, c'est pourquoi, à mi-chemin du processus, vous voyez un "anneau" de C≡N. Le C=N est un pic au milieu, " expliqua Tobin.
Caractéristiques chimiques "Coupe et cône" capturées par imagerie IR, a également confirmé qu'un degré élevé de réaction pour former des structures cycliques se produisait dans le noyau par rapport à la peau.
Autres techniques expérimentales, qui ont été entreprises à Carbon Nexus et Factory of the Future à l'Université de technologie de Swinburne, microscopie optique incluse, Microspectroscopie Raman, nanoindentation, analyse thermique et essais de traction.
