Depuis 50 ans, les fabricants ont considéré la fibre de carbone comme un matériau de rêve :bien que les fibres individuelles soient plus fines qu'un cheveu humain, ils peuvent être torsadés ensemble et fusionnés avec un matériau matriciel pour former un composite léger plus résistant que l'acier, deux fois plus rigide et bon conducteur de chaleur. Et, contrairement aux métaux, le matériau ne se fissure pas avec le temps. Il a été utilisé dans un large éventail d'applications, y compris les avions et les engins spatiaux, voitures, immeubles, dispositifs médicaux et équipements sportifs.

Mais la fibre de carbone a un inconvénient majeur, a déclaré l'ingénieur Husker Yongfeng Lu, un expert en matériaux carbonés. Sous des températures extrêmes rencontrées régulièrement dans l'industrie aérospatiale, par exemple, la fibre de carbone s'oxyde, ce qui signifie qu'il réagit avec l'oxygène de l'air et brûle, tout comme le bois lorsqu'il est combiné avec suffisamment de chaleur et d'oxygène. L'oxydation diminue rapidement les qualités oniriques de la fibre de carbone, particulièrement sa force.

"Une faiblesse des fibres de carbone est qu'elles brûlent facilement si vous avez des températures suffisamment élevées et de l'oxygène présent, " dit Lou, Lott Distinguished University Professor en génie électrique et informatique. "Si nous pouvions les rendre ininflammables, afin qu'ils ne brûlent pas lorsqu'ils sont exposés au feu, ce serait excitant."

Dans un article récent publié dans PNAS , L'équipe de Lu décrit une étape majeure vers cet objectif. Lui et ses collègues de l'Université du Nebraska-Lincoln et de l'Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux en France ont développé un méthode évolutive pour protéger la fibre de carbone contre l'oxydation. L'approche représente une amélioration significative par rapport à d'autres processus d'antioxydation qui sont laborieux, lent et cher.

"Nous essayons d'ajouter des couches de surface qui peuvent séparer les fibres de carbone de l'oxygène de sorte que même sous des températures élevées, ils ne seront pas brûlés, ", a déclaré Lu. "Les fibres de carbone peuvent être utilisées de nombreuses manières:tissées dans des textiles et dans des parties de bâtiments, avions, équipements électroniques, mais s'ils sont inflammables, cela pose un nouveau risque pour le système et limite considérablement ces applications."

Pour éliminer l'inflammabilité, L'équipe de Lu a conçu un processus en une seule étape qui commence par faire fondre un sel chimiquement très similaire au sel de table. Une fois que les cristaux de sel sont devenus liquides, les chercheurs ajoutent des poudres de titane et de chrome, qui sont connus pour résister à des températures élevées. Des fibres de carbone sont ensuite ajoutées au mélange.

Après une réaction spontanée, le processus donne un revêtement à trois couches, composé de carbure de chrome et de carbure de titane, qui sert de barrière contre l'oxydation. Le revêtement est multicouche car le titane et le chrome ont chacun des comportements et des vitesses de réaction différents au sein du sel fondu, conduisant à trois couches distinctes de produit final. Ce triple revêtement confère une protection supplémentaire par rapport à une seule couche.

Lorsque les chercheurs ont évalué les fibres de carbone enduites contre des températures extrêmes - environ 2, 200 degrés Fahrenheit et des conditions environnementales extrêmes qu'ils ont simulées avec une flamme oxyacétylénique, ils ont découvert que le matériau carboné maintenait sa structure. Lu a déclaré que la prochaine étape consiste à identifier à quel point les fibres enduites sont ignifuges par rapport à leurs homologues non protégées, et combien de temps ils peuvent conserver leurs propriétés les plus précieuses dans des conditions extrêmes.

L'équipe de Lu n'est pas la première à explorer des méthodes de protection des fibres de carbone contre l'oxydation, mais en cas de succès lors de tests supplémentaires, l'approche serait la première avec une viabilité à grande échelle. Approches précédentes, tels que le dépôt chimique en phase vapeur, impliquent des équipements coûteux, des étapes multiples et des réactions chimiques difficiles à contrôler. L'approche sel fondu contourne ces écueils en utilisant des matériaux bon marché qui subissent un processus spontané à une température relativement basse d'environ 1, 800 degrés Fahrenheit.

Le processus est également rapide et propre, en le préparant à une utilisation industrielle généralisée.

"Nous avons trouvé une recette qui peut former trois couches dans un seul état, " Lu dit. " Avec un seul plongeon, nous pouvons obtenir trois couches de revêtement."