Une équipe de recherche internationale dirigée par des scientifiques de l'Université Beihang en Chine et de l'Université du Texas à Dallas a développé une haute résistance, feuilles de carbone super résistantes qui peuvent être fabriquées à faible coût à basse température.

L'équipe a fabriqué les feuilles en cousant chimiquement des plaquettes de carbone graphitique, qui est similaire au graphite trouvé dans la mine tendre d'un crayon ordinaire. Le processus de fabrication a abouti à un matériau dont les propriétés mécaniques dépassent celles des composites en fibre de carbone qui sont actuellement utilisés dans divers produits commerciaux.

"Ces feuilles pourraient éventuellement remplacer les coûteux composites en fibre de carbone qui sont utilisés pour tout, des carrosseries d'avions et d'automobiles aux pales d'éoliennes et aux équipements sportifs, " a déclaré le Dr Ray Baughman, Robert A. Welch Distinguished Chair in Chemistry à l'UT Dallas et directeur de l'Alan G. MacDiarmid NanoTech Institute. Baughman est l'auteur correspondant d'un article décrivant le matériel publié en ligne cette semaine dans le Actes de l'Académie nationale des sciences .

Les composites en fibre de carbone d'aujourd'hui sont chers en partie parce que les fibres de carbone sont produites à des températures extrêmement élevées, qui peut dépasser 2, 500 degrés Celsius (environ 4, 500 degrés Fahrenheit).

"En revanche, notre processus peut utiliser du graphite extrait du sol à moindre coût et traité à des températures inférieures à 45 degrés Celsius (113 degrés Fahrenheit), " a déclaré le Dr Qunfeng Cheng, professeur de chimie à l'Université de Beihang et auteur correspondant. "Les résistances de ces feuilles dans toutes les directions dans le plan correspondent à celles des composites en fibre de carbone retors, et ils peuvent absorber une énergie mécanique beaucoup plus élevée avant de tomber en panne que les composites en fibre de carbone."

Le graphite est constitué de plaquettes constituées de couches empilées de graphène. Le graphène est simplement une seule couche d'atomes de carbone, disposés selon un motif qui ressemble à une clôture grillagée à poules, où chaque hexagone du maillage est formé de six atomes de carbone.

« Alors que les scientifiques peuvent fabriquer en continu de grandes feuilles de graphène par traitement à haute température, et ont montré que ces feuilles ont une résistance remarquable, il est peu pratique de fabriquer des plaques épaisses de graphite en empilant simplement des feuilles de graphène de grande surface, " a déclaré Cheng. " Il faudrait en empiler environ 150, 000 feuilles de graphène pour fabriquer une feuille de graphite ayant à peu près l'épaisseur d'un cheveu humain."

Les chercheurs se sont inspirés de la nacre naturelle, également connu sous le nom de nacre, ce qui donne à certains coquillages leur force et leur ténacité. La nacre est composée de plaquettes parallèles liées entre elles par de fines couches de matière organique, semblable à la façon dont les briques d'un mur sont maintenues ensemble par du mortier.

"Au lieu d'empiler mécaniquement des feuilles de graphène de grande surface, nous oxydons des plaquettes de graphite de la taille du micron afin qu'elles puissent être dispersées dans l'eau, puis filtrer cette dispersion pour fabriquer à moindre coût des feuilles d'oxyde de graphène orienté, " a déclaré Baughman. "Ce processus s'apparente à la fabrication manuelle de feuilles de papier en filtrant une suspension de fibres.

"À ce stade, les feuilles ne sont ni solides ni dures, ce qui signifie qu'ils ne peuvent pas absorber beaucoup d'énergie avant de se rompre, " Il a dit. " L'astuce que nous utilisons est de coudre ensemble les plaquettes dans ces feuilles en utilisant des agents de pontage infiltrés séquentiellement qui interconnectent les plaquettes voisines qui se chevauchent, et convertir l'oxyde de graphène oxydé en graphène. La clé de cette avancée est que nos agents de pontage agissent séparément via la formation de liaisons chimiques covalentes et de liaisons de van der Waals."

Les feuilles qui incorporaient les agents de pontage étaient 4,5 fois plus résistantes et 7,9 fois plus résistantes que les feuilles sans agent, a déclaré Sijie Wan, doctorante à l'Université de Beihang, qui est l'auteur principal de l'article de revue. "Contrairement aux composites en fibre de carbone, aucune matrice polymère n'est nécessaire, " il a dit.

« Alors que les feuilles de composites en fibre de carbone coûteux peuvent fournir une résistance similaire dans toutes les directions du plan de la feuille, l'énergie qu'ils peuvent absorber avant la rupture est d'environ un tiers de celle de nos feuilles de graphène pontées séquentiellement, " Dit Wan. " Parce que nos draps sont fabriqués à basse température, ils sont à faible coût. En plus de présenter une résistance élevée de la feuille, ténacité et résistance à la fatigue, ils ont une conductivité électrique élevée et sont capables de protéger contre les rayonnements électromagnétiques. Ces propriétés rendent ces feuilles de graphène pontées séquentiellement très attrayantes pour d'éventuelles applications futures."