L'hiver dernier, Des chercheurs du MIT ont découvert qu'un polymère phénol-formaldéhyde transformé en un matériau de carbone vitreux dans un processus similaire à la cuisson atteint sa meilleure combinaison de résistance élevée et de faible densité à 1, 000 degrés Celsius (1, 832 degrés Fahrenheit). Maintenant, ils ont déterminé que, ils peuvent obtenir une transformation vitreuse similaire, mais à une température plus accessible industriellement de 800 C en ajoutant une petite fraction de nanotubes de carbone à ce matériau.

Comme hydrocarbure polymère de départ, connue sous le nom de résine polymère phénol-formaldéhyde, est chauffé à partir de 600 C, la taille de ses cristallites augmente jusqu'à atteindre un plateau à 1, 000 C. Postdoc Itai Y. Stein dit que la littérature scientifique montre que ce plateau tient jusqu'à bien au-dessus de 2, 000 C. L'ajout de 1% en volume de nanotubes de carbone alignés au matériau de départ lui permet d'atteindre la taille de cristallite plateau à une température inférieure de 200 C.

"Ce que nous montrons, c'est qu'en ajoutant des nanotubes de carbone, nous atteignons cette région de plateau plus tôt, " dit Stein. Les résultats ont été rapportés le 22 août dans le Journal de la science des matériaux en ligne. Les co-auteurs étaient Stein, anciens boursiers d'été du Centre de traitement des matériaux-Centre pour la science et l'ingénierie des matériaux (MPC-CMSE) Ashley L. Kaiser (2016) et Alexander J. Constable (2015), post-doctorant Luiz Acauan, et l'auteur principal, professeur d'aéronautique et d'astronautique Brian L. Wardle. Kaiser est maintenant un étudiant diplômé dans le laboratoire de Wardle.

Améliorer la fabricabilité

"Ce travail a la découverte intéressante que les nanostructures aident à fabriquer [et] fabriquer les composites de carbone vitreux, " Wardle dit. "Les premières leçons avec les nano-matériaux ont largement montré que les nanostructures entravent la fabrication, cependant, nous trouvons un thème dans plusieurs domaines de recherche qui, une fois contrôlés, les nanostructures peuvent être utilisées pour améliorer la fabrication, parfois de manière significative. Tandis que les nanostructures—ici, les nanotubes de carbone alignés - sont précieux pour renforcer le carbone vitreux, ils peuvent également être utilisés pour améliorer la fabricabilité. Ashley et Itai poussent ce travail encore plus loin pour tester les limites."

La taille des cristallites est fortement liée à la dureté, qui est une mesure des performances mécaniques telles que la résistance et la ténacité. C'est l'une des propriétés les plus importantes du matériau de carbone vitreux.

"Si vous regardez la dureté normalisée par la densité, nous avons précédemment trouvé que le premier point dans la région du plateau est le meilleur point, car là le matériau carboné vitreux est le moins dense et le plus dur, " dit Stein.

La principale découverte de l'article précédent était qu'un plus grand désordre dans l'arrangement des cristallites de carbone a conduit à une plus grande dureté et une densité plus faible dans le matériau de carbone vitreux, qui a été obtenu par cuisson d'un polymère phénol-formaldéhyde en l'absence d'oxygène. Le matériau transformé est également appelé carbone pyrolytique ou PyC.

Bien que le polymère se transforme en un matériau semblable au graphite, il n'atteint jamais la structure plus ordonnée du graphite. Cette différence est confirmée par l'analyse par diffraction des rayons X (XRD) d'échantillons cuits avec, Et sans, nanotubes de carbone et par rapport à un indicateur standard pour le graphite connu sous le nom d'ordre d'empilement de Bernal. Le type de désordre parmi les cristallites est appelé ici empilement turbostratique, où les plans qui composent les cristallites sont tournés de manière aléatoire les uns par rapport aux autres en raison de trous (ou lacunes) et de courbure. Les études XRD menées dans les installations expérimentales communes du Centre de science et d'ingénierie des matériaux ont également permis de valider l'évolution de la taille des cristallites en fonction de la température de cuisson.

Pour imaginer ce désordre par rapport à la structure hexagonale parfaite du graphène ou à la structure en couches répétitives du graphite, Stein suggère de penser à une pile de morceaux de papier carrés et plats. Les papiers s'empilent facilement dans un carré parfait avec un espace minimal entre chaque feuille. Mais si chaque morceau de papier est retiré, froissé, puis légèrement aplati à nouveau, ce serait frustrant d'essayer de réorganiser les feuilles dans une pile ordonnée.

Un désordre similaire se produit dans la structure moléculaire du carbone vitreux, parce que le polymère précurseur phénol-formaldéhyde commence par un mélange compliqué de composés riches en carbone et que la température de cuisson n'est pas assez élevée pour les décomposer tous en structures carbonées plus simples. Les résultats de la spectroscopie Raman ont confirmé la présence de ces défauts dans la structure du carbone. Une autre technique, Spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier, ont confirmé la présence de groupes oxygène et hydrogène dans les cristallites.

« Il provient du précurseur polymère que nous utilisons, le phénol-formaldéhyde, et ils sont juste coincés; ils ne peuvent pas partir, ", explique Stein.

L'article précédent des chercheurs a montré que la présence de ces composés carbonés plus complexes dans le matériau le renforce en conduisant à des connexions tridimensionnelles difficiles à rompre. Les nouveaux travaux montrent que les nanotubes de carbone n'ont aucun effet sur ces sous-structures d'oxygène ou d'hydrogène dans le matériau.

Stein dit que, pour l'étude en cours, l'objectif était d'explorer ce qui se passe lorsque des nanotubes de carbone sont ajoutés et que la température de cuisson est augmentée; Plus précisément, quel effet, si seulement, les nanotubes ont une croissance de cristallites. Ils ont découvert que les nanotubes influencent le processus de formation de cristallites à l'échelle méso, qui se mesure en dizaines de nanomètres, tandis que tout le reste reste inchangé. Surtout, seule la taille des cristallites est affectée par l'ajout des nanotubes de carbone.

"Nous avons été surpris de ne voir aucun changement dans la nature graphitique de notre polymère car il est cuit en présence de nanotubes de carbone, " dit-il. " Néanmoins, c'est une découverte très intéressante car nous pouvons réduire la température de traitement sans affecter la structure du carbone vitreux résultant. Puisque les propriétés du carbone vitreux dépendent de sa structure, cette découverte pourrait permettre à un procédé industriel de cette technologie de réaliser d'importantes économies d'énergie. »

Évolution structurelle plus rapide

« Les nanotubes de carbone permettent à la structure du composite d'évoluer plus rapidement à l'échelle méso, ainsi il atteint son état final à une température de traitement inférieure, " ajoute Kaiser. " Ces nanotubes diminuent également le poids global du matériau. Par ici, nous sommes en mesure de produire notre composite à une température plus basse tout en diminuant sa densité et en conservant ses excellentes propriétés."

Stein note que dans les travaux antérieurs, les chercheurs ont également montré que l'augmentation de la température de traitement au-dessus de 1, 000 C a donné un matériau plus faible.

"Nous réduisons donc essentiellement la température à laquelle vous devez aller pour atteindre les meilleures propriétés, " Stein dit du nouveau rapport. " Si vous regardez la dureté normalisée par la densité, ce [800 degrés C] est le meilleur point, car c'est là que le carbone vitreux devrait être le moins dense et le plus dur."

Stein dit que la température de traitement inférieure peut également rendre ces matériaux phénoliques plus compatibles avec les métaux dont les points de fusion sont inférieurs à 1, 000 C, qui à son tour peut être utile pour l'impression 3D.

"L'application dans laquelle nous avons spécifiquement pensé à l'utiliser est celle des méta-matériaux, " dit-il. " Si vous pouvez utiliser des nanotubes pour réduire la température de cuisson, si vous voulez le convertir en carbone, juste du carbone pur, alors cela pourrait le rendre plus accessible. Ces 200 degrés Celsius sont une grande différence pour de nombreux processus."

Dans les nouvelles découvertes, les chercheurs ont expérimenté sur un matériau contenant seulement 1% de nanotubes de carbone en volume. Ils prévoient de poursuivre en étudiant l'impact de l'augmentation de la proportion de nanotubes de carbone à 20 pour cent en volume. "Nous voulons juste voir si les nanotubes le rendent plus fort, " dit Stein. Ils examineront également l'effet sur la taille et l'épaisseur des cristallites des nanotubes de carbone ajoutés.

Nano-structures de nouvelle génération

« Toute une gamme de composites structuraux bénéficierait de cette étude, en particulier les nano-structures ultra-légères de nouvelle génération, " dit Piran R. Kidambi, professeur adjoint de génie chimique et biomoléculaire à l'Université Vanderbilt, qui n'a pas participé à cette recherche.

"L'étude a révélé que les nanocomposites à matrice de carbone vitreux et nanotubes de carbone alignés à l'échelle méso évoluaient beaucoup plus rapidement avec un plateau dans la taille des cristallites (une métrique de qualité importante) à une température jusqu'à 200 degrés Celsius inférieure à celle d'une matrice de carbone vitreux pur. , " dit Kidambi. " Des températures plus basses sont une bonne nouvelle pour la fabrication afin de minimiser les coûts de chauffage dans le traitement, et des modèles récents nous disent que les cristallites minces sont souhaitables car ils augmentent la dureté du carbone vitreux. Par conséquent, une combinaison d'un plateau dans les tailles de cristallites et de températures plus basses est très intéressante du point de vue de la fabrication. Il s'agit d'une recherche de haute qualité qui utilise des informations fondamentales pour informer et guider les voies de fabrication/synthèse de composites de qualité supérieure."

Le travail de Kaiser en tant que boursier d'été MPC-CMSE 2016 constitue l'essentiel des résultats expérimentaux de l'article, à l'exception des résultats de la spectroscopie Raman. "C'est une contribution très solide et ciblée, " dit Stein.

« J'étais ravi de participer à cette recherche lorsque j'étais boursier d'été, " dit Kaiser. " Maintenant, pouvoir revenir au MIT en tant qu'étudiant diplômé, rejoindre le groupe Wardle, et publier ce travail est très excitant. Je suis impatient de continuer à travailler sur les composites alors que je poursuis mon doctorat ici en science et ingénierie des matériaux."

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.