(PhysOrg.com) -- Trois nouvelles études menées par des chercheurs du Rensselaer Polytechnic Institute illustrent pourquoi le graphène devrait être le nanomatériau de choix pour renforcer les matériaux composites utilisés dans tout, des éoliennes aux ailes d'avion.

Les composites infusés de graphène sont plus résistants, plus rigide, et moins sujettes à la défaillance que les composites infusés de nanotubes de carbone ou d'autres nanoparticules, selon les études. Cela signifie graphène, une feuille d'atomes de carbone de l'épaisseur d'un atome disposée comme une clôture à mailles losangées à l'échelle nanométrique, pourrait être un catalyseur clé dans le développement de matériaux nanocomposites de nouvelle génération.

« Je travaille dans les nanocomposites depuis 10 ans, et le graphène est le meilleur que j'aie jamais vu en termes de propriétés mécaniques, " a déclaré Nikhil Koratkar, professeur au Département de mécanique, Aérospatial, et Ingénierie Nucléaire chez Rensselaer, qui dirigeait les études. "Le graphène est de loin supérieur aux nanotubes de carbone ou à tout autre nanocharge connue pour transférer sa résistance exceptionnelle et ses propriétés mécaniques à un matériau hôte."

Les résultats des études de Koratkar sont détaillés dans trois articles récemment publiés :« Fracture and Fatigue in Graphene Nanocomposites, " Publié dans Petit ; « Propriétés mécaniques améliorées des nanocomposites à faible teneur en graphène, " Publié dans ACS Nano ; et « Nanocomposites de graphène résistants au flambage, » publié dans la revue Lettres de Physique Appliquée.

Les composites avancés sont de plus en plus un élément clé dans la conception de nouvelles pales d'éoliennes, avion, et d'autres applications nécessitant un ultra-léger, matériaux à haute résistance. Les matériaux composites époxy sont extrêmement légers, mais peut être cassant et sujet aux fractures. L'équipe de Koratkar a infusé les composites avancés avec des piles, ou plaquettes, de graphène. Chaque pile n'a que quelques nanomètres d'épaisseur. L'équipe de recherche a également infusé des composites époxy avec des nanotubes de carbone.

Les matériaux époxy infusés de graphène ont présenté des performances bien supérieures. En réalité, l'ajout de graphène égal à 0,1 pour cent du poids du composite a augmenté la résistance et la rigidité du matériau au même degré que l'ajout de nanotubes de carbone égal à 1 pour cent du poids du composite. Ce gain, sur la mesure d'un ordre de grandeur, met en évidence la promesse du graphène, dit Koratkar. Les charges de graphène ont également augmenté la résistance du composite à la propagation des fissures de fatigue de près de deux ordres de grandeur, par rapport au matériau époxy de base.

Bien que le graphène et les nanotubes de carbone soient presque identiques dans leur composition chimique et leurs propriétés mécaniques, le graphène est bien meilleur que les nanotubes de carbone pour conférer ses attributs à un matériau avec lequel il est mélangé.

« Les nanotubes sont incroyablement puissants, mais ils sont peu utiles mécaniquement s'ils ne transfèrent pas leurs propriétés au composite, ", a déclaré Koratkar. « Une chaîne est aussi solide que son maillon le plus faible, et si ce lien est entre le nanotube et le polymère, alors c'est ce qui détermine les propriétés mécaniques globales. Peu importe si les nanotubes sont super forts ou super rigides, si l'interface avec le polymère est faible, cette interface va échouer.

Koratkar a déclaré que le graphène présente trois avantages distincts par rapport aux nanotubes de carbone. Le premier avantage est la texture de surface rugueuse et ridée du graphène, causée par une très forte densité de défauts de surface. Ces défauts sont le résultat du processus d'exfoliation thermique que l'équipe de recherche Rensselaer a utilisé pour fabriquer de grandes quantités de graphène à partir de graphite. Ces surfaces « ridées » s'emboîtent extrêmement bien avec le matériau polymère environnant, aider à stimuler le transfert de charge interfaciale entre le graphène et le matériau hôte.

Le deuxième avantage est la superficie. En tant que feuille de rabotage, le graphène bénéficie d'un contact beaucoup plus important avec le matériau polymère que les nanotubes de carbone en forme de tube. En effet, les chaînes polymères sont incapables de pénétrer à l'intérieur des nanotubes, mais les surfaces supérieure et inférieure de la feuille de graphène peuvent être en contact étroit avec la matrice polymère.

Le troisième avantage est la géométrie. Lorsque des microfissures dans la structure composite rencontrent une feuille de graphène bidimensionnelle, ils sont déviés, ou forcé de s'incliner et de se tordre autour de la feuille. Ce processus permet d'absorber l'énergie qui est responsable de la propagation de la fissure. Les processus de déflexion des fissures sont beaucoup plus efficaces pour les feuilles bidimensionnelles avec un rapport d'aspect élevé comme le graphène, par rapport aux nanotubes unidimensionnels.

Koratkar a déclaré que les industries de l'aérospatiale et de l'énergie éolienne recherchent de nouveaux matériaux avec lesquels concevoir des des pales de rotor et d'éolienne à longue durée de vie. Son groupe de recherche prévoit d'étudier plus avant comment le graphène peut bénéficier à cet objectif. Le graphène est très prometteur pour cela car il peut être produit à partir de graphite, qui est disponible en grandes quantités et à un coût relativement bas, il a dit, ce qui signifie que la production de masse de graphène est susceptible d'être beaucoup plus rentable que les nanotubes.

Les co-auteurs des trois articles comprennent les étudiants diplômés en génie mécanique de Rensselaer, Mohammed A. Rafiee, Javad Rafiee, et Iti Srivastava; ainsi qu'avec le groupe du professeur Zhong-Zhen Yu à l'Université de technologie chimique de Pékin.