Le Graphene Flagship a réuni les meilleurs chercheurs et entreprises européens pour discuter des manières les plus perturbatrices que le graphène pourrait améliorer les composites utilisés dans l'aérospatiale, industries de l'automobile et de l'énergie. L'équipe multidisciplinaire a impliqué des chercheurs d'institutions académiques, des entreprises telles que Graphene Flagship Partners Nanesa et Avanzare, et les grandes industries utilisatrices de transport, tels que Graphene Flagship Partners Airbus et Fiat. Ils ont montré que l'intégration du graphène et des matériaux associés (GRM) dans les composites renforcés de fibres (FRC) a un grand potentiel pour améliorer le poids et la résistance, et permet de s'affranchir des goulots d'étranglement limitant les applications de ces composites dans les avions, voitures, éoliennes et plus encore. De nos jours, l'industrie des transports est responsable de près d'un tiers de la demande mondiale d'énergie, et c'est la principale source de pollution et d'émissions de gaz à effet de serre dans les zones urbaines. Les scientifiques phares du graphène essaient donc continuellement de développer de nouveaux matériaux pour réduire la consommation de carburant et le CO 2 émissions, contribuer à atténuer les dommages environnementaux et le changement climatique.

Les composites intégrés au graphène sont un exemple de matériaux plus légers avec un grand potentiel pour une utilisation dans les cadres de véhicules. Ils sont construits en introduisant des feuilles de graphène, quelques milliardièmes de mètre d'épaisseur, en composites de fibres hiérarchiques en tant que nano-additifs. Les composites à fibres hiérarchiques sont un type de matériau composite dans lequel des composants de différentes tailles sont combinés de manière contrôlée pour améliorer considérablement les propriétés mécaniques. Ils sont généralement constitués de fibres de carbone micro- ou mésoscopiques, quelques millionièmes de mètre d'épaisseur, attaché à une matrice polymère, et ils sont déjà utilisés comme matériaux de construction pour fabriquer des véhicules de toutes formes et tailles.

Le rapport hauteur/largeur élevé du graphène, une flexibilité et une résistance mécanique élevées lui permettent de renforcer la résistance des points faibles de ces composites, comme à l'interface entre deux composants différents. Sa chimie de surface ajustable signifie également que les interactions avec la fibre de carbone et la matrice polymère peuvent être ajustées selon les besoins. La fibre, la matrice polymère et les couches de graphène fonctionnent toutes ensemble pour répartir les contraintes mécaniques, résultant en un matériau avec une résistance améliorée et d'autres propriétés bénéfiques.

Il y a de nombreux défis à considérer. Par exemple, les avions subissent des changements de température entre 20 °C et -40 °C à chaque décollage et atterrissage, avec d'énormes différences de pression et d'humidité. Les composites à base de graphène doivent donc résister à la condensation de l'eau et même au gel à l'intérieur du fuselage. Ils doivent également supporter les coups de foudre, qui se produisent plusieurs fois par mois, les propriétés conductrices du graphène doivent donc être exploitées pour créer un cadre électriquement conducteur qui résiste aux impulsions électromagnétiques. Dans les voitures, les nouveaux matériaux de structure doivent pouvoir résister aux crash-tests et être suffisamment légers pour garantir l'efficacité énergétique. Les chercheurs de Graphene Flagship étudient également les matériaux conducteurs pour remplacer les circuits dans les tableaux de bord des voitures.

Chercheurs et utilisateurs finaux se réunissent

Partenaires phares du graphène à l'Université Queen Mary et au National Graphene Institute, ROYAUME-UNI, FORTH-Hellas, Grèce, CNR, Italie, et Université de technologie Chalmers, Suède, collaboré avec des chercheurs de l'Université de Turin, l'Université de Trente et KET-LAB, Italie, et l'Université de Patras, Grèce, pour fournir des perspectives de la communauté de recherche. Ils ont travaillé avec des scientifiques des sociétés partenaires de Graphene Flagship, Nanesa, Italie, et Avanzare, Espagne, examiner la viabilité technologique des FRC incorporés au graphène.

Francesco Bertocchi, co-auteur de l'article et président de Nanesa, estime que les FRC incorporés au graphène sont effectivement réalisables pour la conception de véhicules, et a créé de nouveaux composites avec de nombreuses propriétés essentielles pour les industries du transport. "Grâce au Flagship Graphene, Nanesa a travaillé en étroite synergie avec de nombreux partenaires pour créer de nombreux prototypes différents. Il s'agit notamment de propriétés telles que l'ignifugation, barrière d'absorption de vapeur d'eau, conductivité électrique et thermique élevée, et blindage EMI. Nous avons également intégré des systèmes thermo-résistifs pour le dégivrage et l'antigivrage, " il dit.

Graphene Flagship Partners Airbus et Fiat-Chrysler Automobiles, des industries aérospatiales et automobiles de premier plan au monde, ont évalué l'impact des CRF incorporés au graphène sur les industries aérospatiale et automobile et évalué leur viabilité commerciale.

Tamara Blanco-Varela, co-auteur et ingénieur matériaux et procédés chez Airbus, explique qu'Airbus travaille dur pour rendre ces matériaux viables pour une utilisation dans de nouveaux modèles d'avions. « Nous savons tous que le secteur aéronautique est très difficile pour l'introduction de nouveaux matériaux ou technologies. Airbus s'engage à faire voler les matériaux liés au graphène dès que possible, et une approche par étapes se met en place, " dit-elle. En sélectionnant des applications 'quick-win' avec des avantages immédiats pour l'industrie aérospatiale, elle prévoit que les FRC intégrés au graphène arriveront bientôt sur le marché.

« Un exemple est l'utilisation de ces matériaux à des fins d'antigivrage et de dégivrage dans les avions, pour laquelle Airbus dirigera des activités visant l'exploitation commerciale de cette technologie. Nous espérons qu'il atteigne un niveau de maturité élevé, avec un niveau de préparation cible entre cinq et six, Dans les prochaines années."

Brunetto Martorana, co-auteur et chercheur chez Graphene Flagship partner Fiat-Chrysler Automobiles, ajoute :« Les propriétés structurelles intéressantes du graphène ont ouvert une fenêtre intéressante pour la conception de nouveaux composites légers. » Il explique que les nouveaux matériaux composites légers n'ont pas nécessairement besoin d'être moins résistants et d'introduire des problèmes de sécurité. "De nouvelles approches doivent être trouvées pour améliorer la" résistance aux chocs "des composites - et les composites de graphène peuvent être en mesure de remplir ce rôle, " poursuit-il. Fiat-Chrysler Automobiles s'est désormais engagé dans la commercialisation de nouveaux matériaux composites, et dirigera une nouvelle initiative pour mettre cette technologie sur le marché."

Une perspective édifiante

"Le Graphene Flagship offre une stabilité, dégager, partenariat durable pour que différents partenaires travaillent ensemble. Ils ont tous commencé leur collaboration dans le cadre de notre Work Package Composites, " commente Vincenzo Palerme, Graphene Flagship Vice-Director et auteur principal de l'article. "Le Graphene Flagship pousse tous les partenaires à avoir des interactions fréquentes, avec des réunions régulières, comme dans ce cas, des partenaires qui ont commencé à travailler sur le graphène avec des motivations différentes se sont réunis pour relever des défis communs, " il dit.

Galiotis, le leader du Work Package Composites de Graphene Flagship, exprime que cette collaboration a été très précieuse. « Il s'agit d'un examen complet des travaux entrepris dans le cadre du projet Graphene Flagship, et ailleurs, pour confirmer que l'ajout de GRM offre des avantages à de nombreuses applications dans l'aérospatiale, automobile, industries de l'énergie et des loisirs. » Galiotis s'intéresse particulièrement à l'analyse de la revue sur les meilleures façons de transformer les GRM en composites, l'effet de ceci sur la performance globale du composite, et les défis auxquels les scientifiques sont confrontés dans la recherche de composites de haute performance. "Globalement, Je pense que c'est un article de synthèse opportun pour le domaine des composites, qui doit être lu avec intérêt par toutes les parties impliquées dans le développement et l'utilisation des composites, " conclut-il.

Andrea C. Ferrari, Responsable scientifique et technologique du Graphene Flagship et président de son comité de direction, commente :« Ce document montre le leadership des grandes entreprises et des petites entreprises, tous les partenaires du Graphene Flagship, dans la mise sur le marché des composites de graphène au cours des prochaines années. Cela montre encore une fois les progrès constants du Graphene Flagship tout au long de sa feuille de route en matière de technologie et d'innovation."