Un nouveau matériau aéronautique fait mouche sur tous les plans
Les industries des transports, en particulier l’aviation, sont constamment à la recherche de nouveaux matériaux à haute performance. Autrefois, cela signifiait qu’ils devaient être légers et solides, mais depuis peu, il faut également qu’ils soient écologiques. Aujourd’hui, on s’attend à ce que des matériaux structurels solides fassent partie des systèmes électriques et d’alimentation des véhicules. Les industries du transport veulent donc des matériaux ayant toutes les propriétés précédentes, plus la conductivité électrique.
Le matériau idéal serait un fil fabriqué à partir de nanotubes de carbone (NTC). Il s’agit de tubes de 2 à 10 nm de diamètre, fabriqués à partir de feuilles de carbone enroulées. Ce fil serait solide, résistant et électroconducteur. Il jouerait simultanément un rôle structurel et électrique, et offrirait, sur ces deux plans, de meilleures performances que les matériaux existants. Utiliser des fils en NTC remplissant ce double rôle éliminerait les redondances et permettrait des réductions de poids.
Pourtant, malgré les récents progrès accomplis dans la synthèse de fils en NTC, il s’avère difficile de fabriquer des tissus à l’échelle macroscopique qui possèdent les propriétés mécaniques requises. Ces propriétés dépendent de l’alignement des tubes individuels, qu’il est difficile de contrôler.
De nouvelles méthodes pour résoudre le problème de l’alignement
Entrepris avec le soutien du programme Marie Skłodowska-Curie, le projet ENERYARN, financé par l’UE, s’est intéressé à ces problèmes. L’équipe a mis au point des stratégies d’étirage des fils et de nouvelles méthodes d’étude des matériaux composites capables de stocker de l’énergie. Ces nouvelles méthodes ont permis aux chercheurs de résoudre le problème de l’alignement et de démontrer que les tissus fabriqués à partir de plusieurs fils en NTC pouvaient posséder une combinaison de propriétés adaptée à leur utilisation dans l’aéronautique en tant que double composant structurel et électrique.
Les fils en NTC utilisés dans le cadre d’ENERYARN sont différents des fibres de carbone classiques. «Ils sont constitués de milliers de NTC très longs qui se développent de manière continue dans un réacteur en phase gazeuse, en quelques secondes», explique la docteure Anastasiia Mikhalchan, chercheuse du projet. «Nous avons optimisé les conditions de synthèse, ce qui nous a permis de collecter plusieurs kilomètres de fils en NTC par heure, tout en contrôlant le type de nanotubes – à parois simples ou multiples – dont sont constitués ces fils.»
Une multifonctionnalité obtenue grâce à des tissus de qualité supérieure
Le nouveau procédé de synthèse a pour principal avantage la possibilité de produire directement des tissus autoportants, grâce à la fusion de filaments d’aérogel au cours du filage. On obtient ainsi un tissu souple d’une taille adaptée à la manipulation, qui peut également être intégré comme électrode dans de nouvelles batteries et de nouveaux supercondensateurs. Les fils ont une conductivité électrique et thermique environ 100 fois supérieure à celle des fibres de carbone traditionnelles. Un second avantage tient au fait que les tissus peuvent être produits à partir de méthane, le principal composant du gaz naturel.
Ces matériaux combinent ainsi propriétés multifonctionnelles et durabilité. Utiliser des fils en NTC comme conducteurs, au lieu des plaques métalliques rigides, rend les électrodes flexibles, résistantes et plus durables, ce qui constitue une avancée majeure. «Nous avons réussi à démontrer que l’intégration de tissus en NTC permettait de produire des électrodes solides, résistantes et légères pour fabriquer des batteries et des super condensateurs innovants», ajoute Anastasiia Mikhalchan. «C’est un domaine qui suscite un énorme intérêt de la part des chercheurs et des industriels du monde entier.
En outre, nos tissus ont surpassé ceux de nos concurrents.» Les chercheurs se sont également penchés sur la transition pratique permettant de passer des fils en NTC conçus en laboratoire à des tissus semi-industriels.
Le projet a permis de quadrupler la résistance à la traction des tissus en NTC. Cela a récemment débouché sur des équivalents commerciaux de ces matériaux. La prochaine étape consistera à collaborer avec des partenaires industriels intervenant tout au long de la chaîne d’approvisionnement afin d’exploiter les résultats d’ENERYARN. Depuis la fin du projet, les chercheurs travaillent avec les principaux constructeurs automobiles intéressés par l’introduction de fils en NTC dans les véhicules électriques.
>> Pour aller plus loin : https://materials.imdea.org/projects/eneryarn-nanostructured-yarn-composites-for-structural-energy-storage/
>> Source : Nanostructured Yarn Composites for Structural Energy Storage - Résultats de la recherche de l'UE.