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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]