L'électrofilage, un procédé de fabrication de nanofibres, peut produire de la céramique de diamètre nanométrique à micrométrique, polymère, et fibres métalliques de compositions diverses pour un large spectre d'applications :ingénierie tissulaire, filtration, piles à combustible et batteries au lithium. Ces matériaux ont des propriétés uniques en raison de leur morphologie à rapport d'aspect élevé et de leur grande surface spécifique.

Pourtant, leur développement s'est fait en grande partie par essais et erreurs, rendant difficile la reproduction fiable en milieu industriel. Ce défi découle d'un manque de compréhension de la dynamique sous-jacente au cours du processus, ce qui implique plus de 10 paramètres de contrôle.

Le laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) élimine les conjectures de l'électrofilage en tirant parti de sa suite unique de capacités pour créer une base de données qui corrèle les paramètres de la machine d'électrofilage avec les propriétés des nanofibres. La suite permettra aux entreprises de concevoir des matériaux optimisés pour des applications spécifiques à une vitesse maximale, tout en permettant un retour d'information et un contrôle en temps réel sur l'atelier de fabrication.

L'installation d'électrofilage avancée fait partie des efforts de science et d'ingénierie de fabrication avancée d'Argonne pour accélérer le développement de matériaux et les processus de fabrication en développant des technologies de plate-forme augmentées de systèmes informatiques et de diagnostic de pointe. Cette combinaison permet une science prédictive qui réduit le prototypage d'essais et d'erreurs coûteux. Le projet est financé par le programme de recherche et développement dirigé par un laboratoire de fabrication (LDRD) d'Argonne.

Argonne est dans une position unique pour faire progresser la technologie de l'électrofilage en raison d'une combinaison d'expertise dans le développement et la mise à l'échelle de matériaux, ainsi que les capacités de diagnostic uniques disponibles à la source avancée de photons (APS), une installation utilisateur du DOE Office of Science et la source de rayons X synchrotron la plus énergétique du pays.

Les chercheurs, dirigé par le scientifique des matériaux d'Argonne Yuepeng Zhang, effectuent des mesures radiographiques in situ sur la ligne de lumière 12 ID-B de l'APS. Les mesures capturent en temps réel la structure, les informations physiques et chimiques des nanofibres au fur et à mesure qu'elles se forment et changent au cours du traitement, faciliter la corrélation avec les paramètres de traitement (par exemple, Tension, distance de travail et viscosité du précurseur).

Zhang dit, « Les mesures fournissent, pour la première fois, une compréhension systématique des processus de filage et de recuit pour contrôler et améliorer les performances du produit. »

La prochaine étape consiste à saisir les données de rayons X dans des algorithmes d'apprentissage automatique qui s'exécutent sur des installations de calcul haute performance à Argonne. Ces calculs optimiseront encore la vitesse, réduire les défauts de matière, prédire de nouvelles propriétés et éliminer le prototypage coûteux par essais et erreurs.

La capacité d'électrofilage peut également être adaptée pour une utilisation avec des processus de fabrication rouleau à rouleau (qui impliquent le traitement continu d'un substrat flexible lorsqu'il est transféré entre deux rouleaux de matériau en mouvement) pour accélérer la commercialisation et réduire les coûts. Argonne fait la démonstration du concept roll-to-roll et de sa première application en produisant des électrolytes à l'état solide LLZO de grande surface pour les applications de stockage d'énergie.

L'industrie peut collaborer avec les experts d'Argonne pour développer des procédés d'électrofilage pour leurs matériaux existants, ainsi que collaborer sur des matériaux et des conceptions (composites) nouveaux ou émergents, y compris la mise à l'échelle.