Fibres de carbone améliorées au graphène : une nouvelle voie vers des composites plus résistants et rentables

Comme publié par le Graphene Council, des chercheurs du Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Oak Ridge, Tennessee, États-Unis), de l'Université de Virginie (UVA, Charlottesville, Virginie, États-Unis) et de Pennsylvania State University (Penn State, University Park, Pennsylvanie, États-Unis) ont publié une recherche dans le numéro d'avril 2020 de Science Advances, évaluant l'utilisation de graphène pur en tant qu'additif à la solution de polyacrylonitrile (PAN) pour les fibres précurseurs de fibre de carbone basées sur des recherches précédentes utilisant des nanotubes de carbone (CNT) et du graphène oxide (GO) liquide.

Les auteurs expliquent comment l'ajout de CNT peut non seulement optimiser le dope de filage PAN et les paramètres de coagulation, mais aussi servir à la fois de modèle pour l'alignement et l'orientation des chaînes polymères et d'agent nucléateur pour la cristallisation du polymère. Ils citent une recherche de Chae et al. qui a rapporté une augmentation de 49 % du module de la fibre de carbone et de 64 % de la résistance avec l'ajout de 1,0 % en poids de nanotubes de carbone. L'ajout de CNT a également été montré pour abaisser la température de carbonisation, ce qui peut réduire significativement la consommation d'énergie lors de la fabrication de la fibre de carbone (CF).

En tant qu'allotrope de carbone bidimensionnel monocouche, le graphène démontre des propriétés supérieures aux CNT, y compris une surface plus grande, une mobilité électronique supérieure, une résistance à la traction plus élevée et un module de Young plus élevé. Cependant, des expériences récentes utilisant du graphène oxide (GO) cristallin liquide dans la fabrication de fibre de carbone ont abouti à des fibres avec une résistance à la traction médiocre en raison de leur mauvais alignement intrinsèque et cristallinité.

Théorisant que le graphène pur pourrait être un meilleur additif que les CNT et le GO pour les fibres de carbone à base de PAN, les chercheurs de l'ORNL, l'UVA et Penn State ont ajouté une petite quantité de graphène pur exfolié par cisaillement (0,01 à 1,0 % en poids) à une solution PAN/diméthylsulfoxyde (PAN/DMSO) pour affiner les propriétés du dope de filage PAN. Les résultats ont montré que les fibres de carbone PAN/graphène avec 0,075 % en poids de graphène présentaient une résistance à la traction de 1916 MPa et un module de Young de 233 GPa — une augmentation de 225 % de la résistance et de 184 % du module par rapport aux fibres de carbone PAN sans graphène.

De plus, les résultats de simulations de dynamique moléculaire à grande échelle montrent que l'ajout de graphène introduit une chimie de bord favorable, favorise la teneur en carbone, améliore l'alignement des chaînes polymères et augmente la cristallinité.

Les auteurs affirment que ces résultats non seulement élargissent la compréhension de la production de fibres de carbone à base de PAN, mais fournissent également une base pour développer des fibres précurseurs alternatives à faible coût améliorées par le graphène, qui pourraient produire des fibres de carbone offrant une performance supérieure et un coût inférieur aux produits actuels à base de PAN.