Ces jours, l'ingénierie aérospatiale concerne les choses légères :construire des avions avec des ailes plus légères, fuselage et train d'atterrissage afin de réduire les coûts de carburant.

Des composites avancés en fibre de carbone ont été utilisés ces dernières années pour alléger les charges des avions. Ces matériaux peuvent égaler l'aluminium et le titane en termes de résistance mais à une fraction du poids, et peut être trouvé dans des avions comme le Boeing 787 et l'Airbus A380, réduire le poids de ces jets de 20 pour cent.

Pour la prochaine génération d'avions commerciaux, les chercheurs recherchent des matériaux encore plus résistants et plus légers, tels que les composites fabriqués avec des fibres de carbone recouvertes de nanotubes de carbone - de minuscules tubes de carbone cristallin. Lorsqu'ils sont disposés dans certaines configurations, les nanotubes peuvent être des centaines de fois plus résistants que l'acier, mais seulement un sixième du poids, rendre ces composites attractifs pour une utilisation dans les avions, ainsi que les voitures, les trains, engins spatiaux et satellites.

Mais un obstacle important à la réalisation de tels composites se situe à l'échelle nanométrique :les scientifiques qui ont essayé de faire pousser des nanotubes de carbone sur des fibres de carbone ont découvert que cela dégrade considérablement les fibres sous-jacentes, les dépouillant de leur force inhérente.

Maintenant, une équipe du MIT a identifié la cause première de cette dégradation des fibres, et conçu des techniques pour préserver la résistance des fibres. Appliquant leurs découvertes, les chercheurs ont enduit les fibres de carbone de nanotubes sans provoquer de dégradation des fibres, rendre les fibres deux fois plus résistantes que les précédentes fibres revêtues de nanotubes, ouvrant la voie à des composites en fibre de carbone qui ne sont pas seulement plus solides, mais aussi plus électriquement conducteur. Les chercheurs affirment que les techniques peuvent facilement être intégrées dans les processus actuels de fabrication de fibres.

"Jusqu'à maintenant, les gens amélioraient fondamentalement une partie du matériau mais dégradaient la fibre sous-jacente, et c'était un compromis, vous ne pouviez pas obtenir tout ce que vous vouliez, " dit Brian Wardle, professeur agrégé d'aéronautique et d'astronautique au MIT. "Avec cette contribution, vous pouvez maintenant obtenir tout ce que vous voulez."

Un article détaillant les résultats de Wardle et de ses collègues est publié dans la revue Matériaux et interfaces appliqués ACS . Les co-auteurs sont le postdoctorant Stephen Steiner, qui a contribué à la recherche en tant qu'étudiant diplômé, et Richard Li, un étudiant diplômé qui était un étudiant de premier cycle dans le laboratoire de Wardle.

Aller au cœur de la dégradation des fibres

Pour comprendre comment sont fabriquées les fibres de carbone, le groupe a visité des usines de production de fibre de carbone au Japon, Allemagne et Tennessee. Un aspect du processus de fabrication des fibres s'est démarqué :lors de la fabrication, les fibres sont étirées près de leur point de rupture lorsqu'elles sont chauffées à des températures élevées. En revanche, les chercheurs qui ont essayé de faire pousser des nanotubes sur des fibres de carbone en laboratoire n'utilisent généralement pas de tension dans leurs processus de fabrication.

Pour reproduire le processus de fabrication dont ils ont été témoins, Li et Steiner ont conçu un appareil à petite échelle en graphite. Les chercheurs ont enfilé des fibres de carbone individuelles - chacune 10 fois plus fines qu'un cheveu humain - à travers l'appareil, un peu comme les cordes d'une guitare, et accroché de minuscules poids à chaque extrémité de chaque fibre, les tirant tendus. Le groupe a ensuite fait pousser des nanotubes de carbone sur les fibres, recouvrir d'abord les fibres d'un ensemble spécial de revêtements, puis chauffer les fibres dans un four. Ils ont ensuite utilisé le dépôt chimique en phase vapeur pour faire croître une couche floue de nanotubes le long de chaque fibre.

Pour faire pousser des nanotubes, la fibre doit généralement être recouverte d'un catalyseur métallique comme le fer, mais les chercheurs ont émis l'hypothèse que de tels catalyseurs pourraient également être à l'origine de la dégradation des fibres. Dans leurs expériences, cependant, Steiner et Li ont découvert que le catalyseur ne contribuait qu'à environ 15 % de la dégradation de la fibre.

"Quand nous sommes arrivés au fond des choses, nous avons trouvé que le catalyseur métallique, le coupable perçu, s'est avéré être plus complice, " dit Steiner. " Nous pouvions voir qu'il faisait un peu de dégâts, mais ce n'était pas la chose qui tuait vraiment tout."

Au lieu, le groupe a trouvé, après d'autres expériences, que la majorité de la dégradation des fibres était due à un phénomène mécanochimique non identifié auparavant résultant d'un manque de tension lorsque les fibres de carbone sont chauffées au-dessus d'une certaine température.

Après-shampooing à l'envers

Après avoir identifié les causes de la dégradation des fibres, les chercheurs ont proposé deux stratégies pratiques pour la croissance de nanotubes sur fibre de carbone qui préservent la résistance de la fibre.

D'abord, l'équipe a enduit la fibre de carbone d'une couche de céramique d'alumine pour la "déguiser", permettant au catalyseur de fer de coller à la fibre sans la dégrader. La solution, cependant, est venu avec un autre défi :la couche d'alumine n'arrêtait pas de s'écailler.

Pour maintenir l'alumine en place, l'équipe a développé un revêtement polymère appelé K-PSMA—qui, comme Steiner le décrit, fonctionne comme un revitalisant capillaire à l'envers. Les revitalisants capillaires ont deux caractéristiques chimiques apparemment opposées :un composant absorbant l'eau qui permet au revitalisant de coller aux cheveux, et un composant imperméable qui empêche les cheveux de friser. De même, K-PSMA a des composants hydrophiles et hydrophobes, mais sa caractéristique imperméable colle à la fibre de carbone, tandis que le composant absorbant l'eau attire l'alumine et le catalyseur métallique.

Dans leurs expériences, les chercheurs ont découvert que le revêtement permettait à l'alumine et au catalyseur métallique de coller, sans avoir à ajouter d'autres processus, comme prégraver la surface de la fibre. L'équipe a mis les fibres enduites sous tension, et a réussi à faire pousser des nanotubes sans endommager la fibre.

Pour la deuxième stratégie du groupe, Steiner a observé qu'il peut être possible d'éliminer le besoin de tension en réduisant la température de croissance des nanotubes. En utilisant un processus de croissance de nanotubes récemment découvert avec K-PSMA, l'équipe a démontré qu'il est possible de faire croître des nanotubes à une température beaucoup plus basse - près de 300 degrés Celsius de moins que ce qui est généralement utilisé - en évitant d'endommager la fibre sous-jacente, .

"Ce procédé réduit non seulement la quantité d'énergie et le volume de gaz requis, mais la quantité de substances étrangères que vous devez mettre sur la fibre, " dit Steiner. " C'est en fait assez simple et rentable. "

Milo Shaffer, professeur de chimie des matériaux à l'Imperial College, Londres, affirme que les techniques de fibre de carbone du groupe peuvent être utiles dans la conception de composites à utiliser dans les électrodes et les filtres à air. Une prochaine étape vers cet objectif, il dit, est de s'assurer que les différentes couches et revêtements de la fibre restent en place.

« Ce résultat indique un facteur important à intégrer dans les futurs développements de la « fibre de carbone poilue », " dit Shaffer, qui n'a pas contribué à la recherche. « L'effet des différentes combinaisons de revêtements sur la fixation [des nanotubes], et l'adhésion éventuelle et critique de la fibre-matrice dans les composites, reste à explorer."

Les chercheurs ont déposé un brevet pour les deux stratégies, et imaginer des composites de fibres avancés intégrant leurs techniques pour toute une gamme d'applications.

"Il n'y a pas beaucoup de gens qui innovent dans la chimie des matériaux pour des applications structurelles aérospatiales avancées, " dit Steiner. " Je pense que c'est particulièrement excitant, et a une possibilité très réelle d'avoir un impact à grande échelle sur l'environnement, et sur les performances des véhicules aérospatiaux.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.