Les chercheurs ont créé un composé de mousse époxy-graphène qui est résistant et conducteur sans ajouter de poids significatif. Crédit :Groupe Rouzbeh Shahsavari
Les scientifiques de l'Université Rice ont construit un meilleur époxy pour les applications électroniques.
L'époxyde combiné à la mousse de graphène « ultra-rigide » inventée dans le laboratoire Rice du chimiste James Tour est nettement plus résistant que l'époxy pur et beaucoup plus conducteur que les autres composites époxy tout en conservant la faible densité du matériau. Il pourrait améliorer les époxys actuellement utilisés qui affaiblissent la structure du matériau avec l'ajout de charges conductrices.
Le nouveau matériau est détaillé dans le journal de l'American Chemical Society ACS Nano .
Par lui-même, l'époxy est un isolant, et est couramment utilisé dans les revêtements, adhésifs, électronique, outillage industriel et composites structurels. Des charges métalliques ou carbonées sont souvent ajoutées pour les applications où la conductivité est souhaitée, comme le blindage électromagnétique.
Mais il y a un compromis :plus de charge apporte une meilleure conductivité au détriment du poids et de la résistance à la compression, et le composite devient plus difficile à traiter.
La solution Rice remplace les poudres de métal ou de carbone par une mousse tridimensionnelle constituée de feuilles nanométriques de graphène, la forme d'épaisseur atomique du carbone.
Le laboratoire du Tour, en collaboration avec les scientifiques des matériaux de riz Pulickel Ajayan, Rouzbeh Shahsavari et Jun Lou et Yan Zhao de l'Université Beihang à Pékin, se sont inspirés de projets pour injecter de l'époxy dans des échafaudages 3D, y compris des aérogels de graphène, mousses et squelettes issus de divers procédés.
Une interprétation d'artiste d'un échafaudage en mousse de graphène, comme créé chez Rice, qui peut être infusé avec de l'époxy pour une forte, composé léger et conducteur. Crédit :Groupe Rouzbeh Shahsavari
Le nouveau schéma permet de fabriquer des échafaudages beaucoup plus solides en polyacrylonitrile (PAN), une résine polymère en poudre qu'ils utilisent comme source de carbone, mélangé avec de la poudre de nickel. Dans le processus en quatre étapes, ils pressent à froid les matériaux pour les rendre denses, les chauffer dans un four pour transformer le PAN en graphène, traiter chimiquement le matériau résultant pour éliminer le nickel et utiliser un aspirateur pour aspirer l'époxyde dans le matériau désormais poreux.
"La mousse de graphène est un seul morceau de graphène à quelques couches, " dit Tour. " Par conséquent, en réalité, la mousse entière est une grosse molécule. Lorsque l'époxy s'infiltre dans la mousse puis durcit, toute flexion de l'époxy à un endroit mettra le monolithe sous tension à de nombreux autres endroits en raison de l'échafaudage en graphène intégré. Cela rigidifie finalement toute la structure."
Les composites en forme de rondelle avec 32 pour cent de mousse étaient légèrement plus denses, mais avait une conductivité électrique d'environ 14 Siemens (une mesure de la conductivité, ou inverse ohms) par centimètre, selon les chercheurs. La mousse n'a pas ajouté de poids significatif au composé, mais lui a donné sept fois la résistance à la compression de l'époxy pur.
Un emboîtement facile entre le graphène et l'époxyde a également permis de stabiliser la structure du graphène. "Lorsque l'époxy s'infiltre dans la mousse de graphène puis durcit, l'époxy est capturé dans des domaines micrométriques de la mousse de graphène, ", a déclaré la tournée.
Le laboratoire a fait monter la barre en mélangeant des nanotubes de carbone à parois multiples dans la mousse de graphène. Les nanotubes ont agi comme des barres de renfort qui se sont liées au graphène et ont fait le composite 1, 732% plus rigide que l'époxy pur et presque trois fois plus conducteur, à environ 41 Siemens par centimètre, bien supérieur à presque tous les composites époxy à base d'échafaudage signalés à ce jour, selon les chercheurs.
Les scientifiques de Rice ont dirigé l'effort pour développer le matériel qui, lorsqu'il est associé à des nanotubes de carbone, est supérieur à 1, 700 pour cent plus rigide que l'époxy pur. Crédit :Groupe Rouzbeh Shahsavari
Tour s'attend à ce que le processus s'étende à l'industrie. "Il suffit d'un four assez grand pour produire la pièce ultime, ", a-t-il dit. "Mais cela se fait tout le temps pour fabriquer de grandes pièces métalliques par pressage à froid puis par chauffage."
Il a déclaré que le matériau pourrait initialement remplacer les résines composites de carbone utilisées pour pré-imprégner et renforcer les tissus utilisés dans les matériaux des structures aérospatiales aux raquettes de tennis.
