Une équipe internationale de chercheurs, affilié à UNIST a découvert que le pliage est une stratégie efficace pour incorporer des films de graphène monocouche de grande surface sur des composites polymères et que cela améliore le renforcement mécanique. Leurs travaux ont été publiés dans la prestigieuse revue, Avancées Matériaux .

Un morceau de papier plié plusieurs fois capable de supporter plus de poids qu'une feuille de papier plate de la même longueur. De la même manière, le pliage peut également améliorer les propriétés mécaniques du graphène.

Une équipe internationale de chercheurs, affilié à UNIST a découvert que le pliage est une stratégie efficace pour incorporer des films de graphène monocouche de grande surface sur des composites polymères et que cela améliore le renforcement mécanique.

Cette percée a été dirigée par le professeur distingué Rodney S. Ruoff et son groupe de recherche du Center for Multidimensional Carbon Materials (CMCM), au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS) de l'UNIST. Professeur Nicola Pugno de l'Université de Trente en Italie, et le professeur Seunghwa Ryu et le Dr Stefano Signetti de KAIST, a fourni une théorie et une modélisation qui ont complété les résultats expérimentaux du groupe du professeur Ruoff.

Le groupe de recherche a rapporté qu'ils avaient réussi à plier un format A5, Film de polycarbonate de 400 nanomètres d'épaisseur en deux 12 fois. Leurs résultats ont montré que cette nouvelle approche utilisant le pliage fournit un renforcement supplémentaire significatif, renforcement, et durcissement de la pièce composite finale incorporant le graphène plié.

"Ce travail est né de mon intérêt pour le pliage. Lorsque Britney Gallivan était lycéenne en Californie en 2002, elle a démontré qu'un seul morceau de papier, environ 1, 200 mètres de longueur, peut être plié en deux douze fois, " dit le distingué professeur Ruoff. " Avant qu'elle réussisse, il a été traditionnellement pensé que le nombre maximum de fois que le papier ou d'autres matériaux peuvent être pliés en deux était de 7, y compris par les meilleurs mathématiciens de l'époque."

"Le professeur Ruoff et moi avons décidé d'essayer de plier le graphène, avec une fine couche de polymère fixée dessus, afin que nous puissions également essayer de réaliser 12 plis mais à partir d'une feuille de matériau de départ beaucoup plus petite, " dit le Dr Bin Wang, un chercheur de l'IBS et le premier auteur de l'étude.

A l'aide d'une interface eau-air, Le Dr Wang a d'abord plié un format A5, Film de polycarbonate de 400 nanomètres d'épaisseur en deux 12 fois, produisant un matériau en vrac d'un millimètre d'épaisseur - une réalisation intéressante en soi. Il a ensuite « rempli » un film de graphène monocouche de grande surface dans le stratifié plié en commençant par un film de polycarbonate de 400 nanomètres d'épaisseur de taille A5, mais maintenant recouvert d'une seule couche de graphène de taille A5 qui avait été cultivé par dépôt chimique en phase vapeur par le professeur Haofei Shi et ses collègues de l'Institut des technologies vertes et intelligentes de Chongqing en Chine.

"Lorsqu'on l'enfile, Le graphène est l'un des matériaux les plus rigides et s'il peut être exempt de défauts, il sera l'un des matériaux les plus résistants. Par conséquent, optimiser son incorporation dans les composites pour le renforcement est un enjeu scientifique important, " dit le distingué professeur Ruoff. " Dr. Wang a également plié cette feuille bicouche de polycarbonate et de graphène au format A5 12 fois, ce qui veut dire qu'il y avait 2^12, ainsi 4096 couches de graphène présentes dans la structure composite finale, qui avait des dimensions latérales d'environ 3 mm x 2 mm avec une épaisseur d'environ 3 mm."

Des échantillons de plus grande longueur x largeur (qui seraient également plus minces) de l'échantillon plié final étaient nécessaires pour les tests mécaniques. Wang a ainsi réalisé une série d'échantillons avec chacun 10 plis (au lieu de 12), et ont utilisé un « test de flexion en trois points » pour étudier leur réponse mécanique. Avec une fraction volumique remarquablement faible de graphène de seulement 0,085% (moins de 1 partie sur 1000), le module de Young (rigidité intrinsèque), résistance (contrainte à laquelle le matériau se casse), et le module de ténacité (énergie consommée pour casser l'échantillon) ont été améliorés dans le composite plié de 73,5 % en moyenne, 73,2%, et 59,1%, respectivement. À partir des seuls plis du graphène, le module de Young a augmenté de 24,2 %, force de 25,4%, et module de ténacité de 14,5%. Notez que ces valeurs sont des bornes inférieures, de la modélisation de l'équipe. Ainsi, un renforcement mécanique remarquable du pliage et de l'empilement combinés du graphène a été trouvé.

Ces résultats expérimentaux ont également été rationalisés avec la théorie combinée à la modélisation fournie par le groupe du professeur Pugno de l'Université de Trente en Italie. « Le pli joue un rôle particulier dans la rigidification et le renforcement du composite, " explique le professeur Pugno. " La structure pliée peut supporter une force de flexion plus importante par rapport à l'analogue des couches empilées mais déconnectées, ce qui pourrait s'expliquer par l'amélioration de l'interaction couche-couche générée par la ou les contraintes supplémentaires par les plis."

Le professeur Ryu et le Dr Stefano Signetti de KAIST qui ont fourni la théorie ont utilisé la modélisation par éléments finis (FEM) pour simuler la flexion des stratifiés pliés et ont découvert que la configuration pliée offre une rigidité à la flexion beaucoup plus élevée par rapport à la configuration empilée avec les 1024 couches équivalentes. de graphène intégré. "La contrainte supplémentaire donnée par les plis se traduit à la fois par une énergie de déformation spécifique plus élevée stockée dans la plaque composite, et aussi une force de flexion plus élevée au même déplacement imposé par rapport à la plaque avec le même nombre de couches empilées mais sans les plis, " dit le Dr Signetti, un boursier postdoctoral de KAIST.

"Les modèles présentés dans ce travail pourraient être utiles pour la conception d'autres types de matériaux bidimensionnels intégrés dans des composites tridimensionnels multicouches, qui peut être réalisé en grande taille, " dit le Distingué Professeur Ruoff. " Outre le renfort mécanique, il existe d'autres applications potentielles des stratifiés pliés."

Le Dr Wang a en outre noté que « En combinant divers nanomatériaux bidimensionnels qui contribuent à une fonctionnalité spéciale, le pliage peut être utilisé pour obtenir des matériaux à grande échelle pour de nombreuses autres applications potentielles, y compris, mais sans s'y limiter, le stockage et la conversion d'énergie, et la gestion thermique."