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Fibres de nanotubes de carbone
Pierre Miaudet, P.Poulin, C.Zakri, S.Badaire, M.Maugey, A.DerreCentre de Recherche Paul Pascal
Activité Matériaux Formulés
I. Présentation des Nanotubes de Carbone (NdC)
Nanotube mono feuillet
Nanotube multi feuillets
Caractéristiques géométriques Caractéristiques géométriques fortement anisotropes fortement anisotropes
couplées à des propriétés couplées à des propriétés physiques intéressantesphysiques intéressantes
10 Å
5 nm
A. Thess et al. Science, 1996.
I. Présentation des nanotubes de carbone (NdC) : Définition
Whiskers de cellulose Nanotubes de Carbone
[1] : http://www.cermav.cnrs.fr [2] : Chen et al., J. Phys. Chem. B., 2001, 105, 2525
Diamètre : 2 à 20 nm ∼ nm
Longueur : dizaines de µm ∼ µm
Module d’Young : 130 GPa 1000 GPa
Résistance àla rupture : 300 MPa 50 GPa
I. Présentation des NdC : Propriétés physiques
0,5 µm
[1][2]
Problème : Le matériau issu de la synthèse est généralement une poudre impure, peu dense et très désorganisée
500 nm
I. Présentation des NdC : Problématique
Objectif : Synthétiser un matériau macroscopique qui tire profit des propriétés exceptionnelles
des nanotubes de carbone.
Physico-chimie des milieux dispersés
II. Mise en forme des NdC
- Dispersion- Floculation
II. Mise en forme des NdC : dispersion
Nanotubes hydrophobes → dispersion par tensioactif
SDS : C12H25-OSO3- Na+
→ diagramme de phase : nanotubes / eau / SDS
50 µm
D Agrégation par déplétion
50 µm
C Dispersion homogène
50 µm
B Agrégation par attraction de VdW
Nanotube
Molécule tensioactive
II. Mise en forme des NdC : dispersion
ultrasons
Pour désenchevêtrer les nanotubes, une agitation classique n’est pas suffisante utilisation d’ultra sons :
II. Mise en forme des NdC : dispersion
En pratique, taux optimum: - 0,4 % en nanotubes- 1 % en SDS
Etudes de dispersion par fonctionnalisation covalenteen cours au laboratoire
[2] : T. Liu, S. Kumar, Nanoletters 2003
II. Mise en forme des NdC : floculation
Papier de nanotubes : ‘bucky paper’
Amélioration des propriétés mécaniques avec l’alignement des nanotubes
→ Formation de fibres de nanotubes de carbone
[1]
[2][1] : Walters et al., Chem. Phys. Lett., 338, 2001, 14-20
II. Mise en forme des NdC : floculation
SDSAlignement FloculationPVA
Filière dans laquelle s’écoule la solution aqueuse de polymère
Fibre de nanotubes de carboneAiguille d’injection de
la dispersion de nanotubes
1 cm- 30 µm de diamètre - plusieurs mètres de long- 50% NdC / 50% PVA
III. Caractérisations
III. Caractérisations : Mécanique
Courbe de tractionFibre étirée
Module d’Young : 40 GPa
Contrainte à la rupture : 1,7 GPa
Ténacité : 40 J/gr !!!
Mâchoires de traction
Fibre de nanotubes de carbone collée sur un cadre en papier
• Fibre « naturelle » haute ténacité : le fil d’araignée, t = 100 J/gr
• Fibre industrielle haute ténacité : le Kevlar® t = 35 J/gr
• Fibre de nanotubes :t = 40 J/gr (à 6% de déformation)
1kg de fil d’araignée peut arrêter un projectile de 300kg lancé à 100km/h
III. Caractérisations : Ténacité
Conclusions
- Ténacité des meilleures fibres de synthèse égalée avec un montage améliorable
- Fibre de NdC : seule fibre ‘haute ténacité’ de synthèse de nature composite
S’apparente au fil d’araignée, ou fibres végétales
Conclusions
[2] : R.A. Pethrick, Characterisation of Molecular Organisation in Polymeric Materials, Univ. of Strathclyde[1] : Gosline & al., The Journal of experimental Biology, 1999, 202, 3300
Réseau de chaînes d’acide aminés amorphes
Zones cristallines
Eau
[1] [2]