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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
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I. Présentation des Nanotubes de Carbone (NdC)
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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
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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]
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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
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II. Mise en forme des NdC
- Dispersion- Floculation
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II. Mise en forme des NdC : dispersion
Nanotubes hydrophobes → dispersion par tensioactif
SDS : C12H25-OSO3- Na+
→ diagramme de phase : nanotubes / eau / SDS
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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
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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
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[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
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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
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III. Caractérisations
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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
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• 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
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Conclusions
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- 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]