Changsheng Xiang, étudiant diplômé de l'Université Rice, a filé des fibres à partir de flocons d'oxyde de graphène. Les fibres sont aussi résistantes aux nœuds qu'à n'importe quel endroit de leur longueur et devraient convenir au tissage dans des tissus avancés. Crédit :Jeff Fitlow/Université Rice
De gros flocons d'oxyde de graphène sont l'ingrédient essentiel d'une nouvelle recette de fibre de carbone robuste créée à l'Université Rice.
La fibre filée chez Rice est unique pour la résistance de ses nœuds. La plupart des fibres sont plus susceptibles de se casser sous tension au niveau du nœud, mais la fibre de Rice démontre ce que les chercheurs appellent « l'efficacité des nœuds à 100 %, " où la fibre est aussi susceptible de se casser sur toute sa longueur qu'au niveau du nœud.
Le nouveau travail du laboratoire Rice du chimiste James Tour paraît en ligne aujourd'hui dans le journal Matériaux avancés .
Le matériau pourrait être utilisé pour augmenter la résistance de nombreux produits utilisant de la fibre de carbone, comme les composites pour fort, avions légers ou tissus pour vêtements pare-balles, selon les chercheurs.
"Voir cela est très étrange, " Dit Tour. " Le nœud est aussi solide que n'importe quelle autre partie de la fibre. Cela n'arrive jamais dans une fibre de carbone ou des fibres polymères."
Le mérite revient aux propriétés uniques des flocons d'oxyde de graphène créés dans un processus respectueux de l'environnement breveté par Rice il y a quelques années. Les paillettes extraites chimiquement du graphite semblent petites. Ils ont un diamètre moyen de 22 microns, un quart de la largeur d'un cheveu humain moyen. Mais ils sont énormes par rapport au brai à base de pétrole utilisé dans la fibre de carbone actuelle. "Les particules de brai ont une taille de deux nanomètres, ce qui rend nos flocons environ dix mille fois plus gros, " a déclaré l'étudiant diplômé de Rice Changsheng Xiang, auteur principal du nouveau document.
Une fibre de carbone nouée fabriquée à l'Université Rice a la même résistance à la traction sur toute sa longueur. Cette propriété peut le rendre approprié pour les tissus avancés. Crédit :Tour Group/Rice University
Comme avec le pitch, la faible force de van der Waals maintient les flocons de graphène ensemble. Contrairement à la hauteur, les flocons d'épaisseur atomique ont une surface énorme et s'accrochent les uns aux autres comme les écailles d'un poisson lorsqu'ils sont tirés dans une fibre. Le processus de filage humide est similaire à celui récemment utilisé pour créer des fibres hautement conductrices en nanotubes, mais dans ce cas, Xiang a juste utilisé de l'eau comme solvant plutôt qu'un super acide.
Une fibre de carbone nouée créée à Rice University casse sur toute sa longueur et non à l'endroit du nœud, contrairement à la plupart des autres fibres. Les nœuds atteignent « 100% d'efficacité » grâce à l'utilisation de flocons d'oxyde de graphène. Crédit :Tour Group/Rice University
La flexion au niveau du nœud est due au module de flexion de la fibre, qui est une mesure de sa flexibilité, dit Xiang. « Parce que l'oxyde de graphène a un module de flexion très faible, il pense qu'il n'y a pas de nœud là-bas, " il a dit.
Tour a déclaré que les fibres de carbone industrielles - une source de résistance semblable à l'acier dans les matériaux ultralégers allant des battes de baseball aux vélos en passant par les bombardiers - ne se sont pas beaucoup améliorées depuis des décennies car la chimie impliquée approche ses limites. Mais les nouvelles fibres de carbone filées à température ambiante chez Rice présentent déjà une résistance à la traction et un module d'élasticité impressionnants et ont le potentiel d'être encore plus solides lorsqu'elles sont recuites à des températures plus élevées.
Les flocons d'oxyde de graphène sont le composant principal d'un nouveau procédé inventé à l'Université Rice pour fabriquer de la fibre de carbone. Les flocons bidimensionnels s'alignent dans un processus de filage humide et sont maintenus ensemble par la force de Van der Waals. Crédit :Tour Group/Rice University
Chauffer les fibres à environ 2, 100 degrés Celsius, la norme de l'industrie pour la fabrication de fibre de carbone, éliminera probablement la force de nouage, Xiang a dit, mais devrait grandement améliorer la résistance à la traction du matériau, ce qui sera bon pour la fabrication de nouveaux matériaux composites.
Les chercheurs de Rice ont également créé un deuxième type de fibre en utilisant de plus petits flocons d'oxyde de graphène de 9 microns. Les fibres à petits flocons, contrairement au grand, ont été retirés du processus de filage humide sous tension, ce qui a permis d'aligner encore mieux les flocons et d'obtenir des fibres dont la résistance se rapproche de celle des produits commerciaux, même à température ambiante.
