Les composites en graphène font un pas de plus vers l’impression 3D de structures cellulaires multifonctionnelles destinées à l’électronique
Les propriétés physiques extraordinaires du graphène — une couche en 2D d’atomes de carbone agencés selon un motif hexagonal — ont stimulé des armées de chercheurs à explorer avec ardeur son potentiel. Actuellement utilisé dans des dizaines de produits de consommation et technologiques, le graphène est porteur de grands espoirs quant à son utilisation dans plusieurs sous-secteurs industriels. Les matériaux composites à base de graphène destinés à la fabrication additive sont une avancée qui permettrait de donner un coup d’accélérateur aux innovations industrielles construites autour du graphène. Fort du soutien du programme Actions Marie Skłodowska-Curie, le projet Graphene 3D a proposé une voie menant au développement de composites polymères à base de graphène optimisés et multifonctionnels destinés aux applications d’impression 3D. De plus, l’utilisation de ces nouveaux nanocomposites permettra au projet de mettre au point des structures présentant les propriétés thermiques et de blindage électromagnétique recherchées.
Matériaux composites polymères aux propriétés améliorées
«Nous avons élaboré différentes formulations de composites qui reposent sur cinq types de polymères chargés de nanomatériaux carbonés hybrides (un mélange de graphène et de nanotubes de carbone)», fait remarquer Patrizia Lamberti, chargée de la diffusion du projet. Toutes les formulations se sont avérées adaptées à l’impression 3D et ont fait preuve d’une bonne conductivité électrique, d’une efficacité de blindage électromagnétique élevée et de propriétés thermiques améliorées par rapport à la matrice 100 % polymère. Qui plus est, elles ont préservé, voire amélioré dans certains cas, les caractéristiques rhéologiques et mécaniques du matériau de départ. Les chercheurs ont mis l’accent sur la modélisation par dépôt de fil en fusion et le frittage sélectif au laser. Différents matériaux ont été préparés pour ces technologies d’impression 3D en utilisant un mélange de nanoplaquettes de graphène, d’oxyde de graphène réduit et de nanotubes de carbone multi-parois ajouté dans de l’acide polylactique, du polyuréthane thermoplastique, de l’éthénol, du polydiméthylsiloxane, etc. «Certains matériaux composites produits dans le cadre du projet sont uniques en leur genre, alors que d’autres affichent des performances supérieures à celles des matériaux disponibles sur le marché. L’utilisation d’une méthodologie de conception rigoureuse a grandement contribué à produire des composites aux performances générales supérieures à celles des composites actuels», ajoute Patrizia Lamberti. En outre, le recours à des techniques de préparation spéciales a permis de réduire de manière significative les seuils de percolation électrique ou rhéologique. «Il s’agit d’une activité importante, car elle consiste à utiliser un nombre moins important de nanostructures pour construire des composites aux caractéristiques analogues», explique Patrizia Lamberti.
Matériaux cellulaires à base de carbone résistants et légers
Différentes structures de matériaux cellulaires ont été modélisées et fabriquées. Celles-ci présentaient une extraordinaire conductivité électrique et thermique, une grand résistance mécanique, un poids plume et un blindage efficace contre les perturbations micro-ondes. «L’objectif de l’application était d’empêcher les interférences électromagnétiques dans les appareils électroniques sensibles en fournissant des écrans électromagnétiques protecteurs qui absorbent le rayonnement entrant plutôt que de le renvoyer. Simultanément, le blindage ne devait pas bloquer l’évacuation de la chaleur générée par l’électronique de puissance», explique Patrizia Lamberti. En ayant recours à la modélisation par dépôt de fil en fusion et à un mélange d’acide polylactique, de nanofeuillets de graphène et de nanotubes de carbone multi-parois, les chercheurs ont fabriqué trois structures génériques: des structures pyramidales anéchoïques, des structures à cellules ouvertes périodiques et des structures «gaufrées». En outre, un prototype de «poupée russe emboîtée» a été fabriqué par frittage sélectif au laser à partir de polyuréthane thermoplastique et de nanotubes de carbone multi-parois. En jetant des ponts entre trois secteurs d’activité émergents, à savoir ceux des nanotechnologie graphène-polymère, de la conception des matériaux et la fabrication additive, Graphene 3D a renforcé la collaboration stratégique interdisciplinaire entre les partenaires ainsi que la réputation de ces derniers en plus de servir de rampe de lancement aux futures collaborations. Le projet a également mis en place un «laboratoire commun sur la recherche et les applications graphène-polymère» pour assurer le partage des connaissances au sein du consortium. Quatre réunions de conférence et une école de formation ont été organisées afin de faire connaître les activités du projet. Les résultats du projet sont publiés dans 80 articles de revues scientifiques à facteur d’impact élevé.
Mots‑clés
Graphène 3D, composites, impression 3D, fabrication additive, nanotubes de carbone multi-parois, modélisation par dépôt de fil en fusion, frittage sélectif au laser, acide polylactique, nanofeuillets de graphène, interférence électromagnétique
