Super

10 août 2017

par Emil Venere, Université Purdue

Il a été démontré qu'un nouveau « métamatériau » léger, ignifuge et super-élastique combine une résistance élevée avec une conductivité électrique et une isolation thermique, suggérant des applications potentielles allant du bâtiment à l'aérospatiale.

Le composite combine des nanocouches d’une céramique appelée oxyde d’aluminium avec du graphène, qui est une feuille de carbone extrêmement fine. Bien que la céramique et le graphène soient fragiles, le nouveau métamatériau possède une microstructure en nid d'abeille qui offre une super-élasticité et une robustesse structurelle. Les métamatériaux sont conçus avec des caractéristiques, des motifs ou des éléments à l'échelle du nanomètre, ou du milliardième de mètre, offrant de nouvelles propriétés pour diverses applications potentielles.

Le graphène se dégraderait normalement lorsqu'il serait exposé à des températures élevées, mais la céramique confère une tolérance élevée à la chaleur et une résistance aux flammes, des propriétés qui pourraient être utiles comme bouclier thermique pour les avions. Les propriétés de légèreté, de haute résistance et d'absorption des chocs pourraient faire du composite un bon matériau de substrat pour les dispositifs électroniques flexibles et les « grands capteurs de contrainte ». Parce qu'il a une conductivité électrique élevée tout en étant un excellent isolant thermique, il pourrait être utilisé comme revêtement ignifuge et isolant thermique, ainsi que comme capteurs et dispositifs convertissant la chaleur en électricité, a déclaré Gary Cheng, professeur agrégé à l'école. de génie industriel à l'Université Purdue.

"Ce matériau est plus léger qu'une plume", a-t-il déclaré. "La densité est vraiment faible. Le rapport résistance/poids est très élevé."

Les résultats ont été détaillés dans un article de recherche publié le 29 mai dans la revue Advanced Materials. Le document est le fruit d'une collaboration entre Purdue, l'Université de Lanzhou et l'Institut de technologie de Harbin, tous deux en Chine, et le laboratoire de recherche de l'US Air Force. Un point culminant de la recherche sur ces travaux est apparu dans la revue Nature Research Materials.

« Les propriétés exceptionnelles des composants actuels à base de céramique ont été utilisées pour permettre de nombreuses applications multifonctionnelles, notamment les revêtements de protection thermique, les capteurs intelligents, l'absorption des ondes électromagnétiques et les revêtements anticorrosion », a déclaré Cheng.

Cependant, les matériaux à base de céramique présentent plusieurs goulots d’étranglement fondamentaux qui empêchent leur utilisation omniprésente en tant qu’éléments fonctionnels ou structurels.

"Ici, nous rapportons un métamatériau multifonctionnel céramique-graphène doté d'une super-élasticité et d'une robustesse structurelle dérivées de la microstructure", a déclaré Cheng. "Nous y sommes parvenus en concevant une microstructure hiérarchique en nid d'abeille assemblée avec des parois cellulaires multi-nanocouches servant d'unités élastiques de base. Ce métamatériau démontre simultanément une séquence de propriétés multifonctionnelles qui n'ont pas été rapportées pour la céramique et les structures céramique-matrice-composite."

Le matériau composite est constitué de cellules de graphène interconnectées prises en sandwich entre des couches de céramique. L'échafaudage de graphène, appelé aérogel, est lié chimiquement à des couches de céramique à l'aide d'un processus appelé dépôt de couche atomique.

"Nous contrôlons soigneusement la géométrie de cet aérogel de graphène", a-t-il déclaré. "Et puis nous déposons de très fines couches de céramique. La propriété mécanique de cet aérogel est multifonctionnelle, ce qui est très important. Ce travail a le potentiel de faire du graphène un matériau plus fonctionnel."

Le processus pourrait être étendu à la fabrication industrielle, a-t-il déclaré.

Les travaux futurs comprendront des recherches visant à améliorer les propriétés du matériau, éventuellement en modifiant sa structure cristalline, en augmentant le processus de fabrication et en contrôlant la microstructure pour ajuster les propriétés du matériau.

Plus d'information: Qiangqiang Zhang et coll. Métamatériau graphène/céramique multi-nanocouche 3D poids mouche, superélastique, électriquement conducteur et ignifuge, Advanced Materials (2017). DOI : 10.1002/adma.201605506