Une nouvelle façon de créer des fibres de carbone - qui sont généralement coûteuses à fabriquer - pourrait un jour conduire à l'utilisation de ces fibres légères, matériaux à haute résistance pour améliorer la sécurité et réduire le coût de production des voitures, selon une équipe de chercheurs. En utilisant un mélange de simulations informatiques et d'expériences en laboratoire, l'équipe a découvert que l'ajout de petites quantités de graphène 2D au processus de production réduisait à la fois le coût de production et renforçait les fibres.

Depuis des décennies, les fibres de carbone ont été un pilier de la production d'avions. Si créé de la bonne manière, ces longs brins d'atomes de carbone, plus étroit que les cheveux humains, sont légers, rigide et solide, une application parfaite pour assurer la sécurité des passagers dans un véhicule planant à des kilomètres au-dessus du sol.

"Même si les fibres de carbone ont de très belles caractéristiques, ils rendraient une voiture beaucoup plus chère" avec la façon dont les fibres de carbone sont fabriquées maintenant, dit Adri van Duin, professeur de génie mécanique et chimique, État de Penn. "Si vous pouvez rendre ces propriétés plus faciles à fabriquer, vous pouvez rendre les voitures beaucoup plus légères, réduire leur coût et les rendre plus sûrs."

La fibre de carbone se vend environ 15 $ la livre aujourd'hui, et l'équipe, qui comprend des chercheurs de Penn State, l'Université de Virginie et le Laboratoire national d'Oak Ridge, en collaboration avec les partenaires industriels Solvay et Oshkosh, veut réduire cela à 5 $ la livre en apportant des modifications au processus de production complexe. Un coût de production inférieur augmentera les applications potentielles de la fibre de carbone, y compris dans les voitures. Plus loin, les recherches de l'équipe peuvent réduire le coût de production d'autres types de fibres de carbone, dont certains se vendent jusqu'à 900 $ la livre aujourd'hui.

"Actuellement, la plupart des fibres de carbone sont produites à partir d'un polymère connu sous le nom de polyacrylonitrile, ou PAN, et c'est assez cher, " a déclaré Małgorzata Kowalik, chercheur au département de génie mécanique de Penn State. "Le prix du PAN représente environ 50% du coût de production des fibres de carbone."

PAN est utilisé pour créer 90% des fibres de carbone trouvées sur le marché aujourd'hui, mais sa production nécessite une énorme quantité d'énergie. D'abord, Les fibres PAN doivent être chauffées à 200-300 degrés Celsius pour les oxyder. Prochain, ils doivent être chauffés à 1, 200-1, 600 degrés Celsius pour transformer les atomes en carbone. Finalement, ils doivent être chauffés à 2, 100 degrés Celsius pour que les molécules soient correctement alignées. Sans cette série d'étapes, le matériau résultant n'aurait pas la résistance et la rigidité nécessaires.

L'équipe a rapporté dans un récent numéro de Avancées scientifiques que l'ajout de traces de graphène - seulement 0,075% de concentration en poids - aux premières étapes de ce processus a permis à l'équipe de créer une fibre de carbone qui avait 225 % plus de résistance et 184 % de rigidité que les fibres de carbone conventionnelles à base de PAN.

L'équipe a glané un aperçu des réactions chimiques qui se déroulent grâce à une série de simulations informatiques à petite et à grande échelle menées sur plusieurs superordinateurs, l'Institute for Computational and Data Sciences (ICDS) Advanced CyberInfrastructure ; CyberLAMP financé par la National Science Foundation (NSF), qui est maintenu par ICDS; et l'Extreme Science and Engineering Discovery Environment (XSEDE) financé par la NSF, un réseau multi-instituts de supercalculateurs et de ressources associées. Ils ont également étudié les propriétés de chaque matériau à l'aide des laboratoires du Materials Research Institute (MRI) de Penn State.

"Nous avons connecté des expériences à différentes échelles pour non seulement montrer que ce processus fonctionne, mais cela nous a donné une raison à l'échelle atomistique pour laquelle ces types d'additifs fonctionnent, " a déclaré van Duin, également directeur du Centre de calcul des matériaux de l'IRM et associé de l'ICDS. "Cette connaissance nous permet d'optimiser davantage le processus."

La structure plate du graphène aide à aligner les molécules PAN de manière cohérente dans toute la fibre, qui est nécessaire dans le processus de production. Plus loin, à des températures élevées, les bords de graphène ont une propriété catalytique naturelle de sorte que "le reste du PAN se condense autour de ces bords, " a déclaré van Duin.

Avec les nouvelles connaissances acquises grâce à cette étude, l'équipe explore des moyens d'utiliser davantage le graphène dans ce processus de production en utilisant des précurseurs moins chers, dans le but de supprimer complètement une ou plusieurs étapes de production, réduisant ainsi encore plus les coûts.