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Le graphène dans les composites. ANDRÉANNE BOLDUC, PH. D.
20 OCTOBRE 2015
Qui sommes-nous?Compagnie située à Montréal
Science et technologieProduction, recherche et vente de graphène et de composites à base de
graphène.
Compagnie de type startupÉquipe de productionCapacité de 3 tonnes/année5e plus grande compagnie de graphène dans le monde
Équipe de venteGroupe de recherche et développement. Bureau en Allemagne.
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Matériaux pour les énergies renouvelables
Nanomatériaux
Matériaux composites
Matériaux biologiques
GraphèneMonocouche de carbone synthétisée à partir de carbon ou graphite.
Prix Nobel de physique en 2010Dr. Andre Geim et Dr. Konstantin Novoselov de l’Université de Manchester1-2
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X
YZ
1- Novoselov, K.S.; Geim, A. K.; Morozov, S. V; Jiang, D.; Zhang, Y.; Dubonos, S. V.; Grigorieva, I. V. ; Firsov, A. A. ; Science, 2004 , 306, 666.2- Stolyarova, E.; Rim, K.T.; Ryu, S. M.; Maultzsch, J.; Kim, P.; Brus, L.E.; Heinz, T.F.; Hybertsen, M.S.; Flynn, G.W.; Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2007, 104, 9209
Fabrication du graphèneApproche “Bottom-up”. Dépôt chimique en phase vapeur (CVD).
Crée des monocouches de graphène
Dispendieux
Ne peut être fait à grande échelle
Long processus.
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Approche “Top-down”.Méthode de Hummer’s modifiée3
BOOM!!!!NaNO3
H2SO4
KMnO4
H2O
3- Ciszewski, M.; Mianowski, A.; Chemik, 2013, 67, 4, 267-274
Fabrication du graphèneApproche “Top-down”Exfoliation mécanique.
À partir de graphite extrait au QuébecLocal
Près de Mont-Laurier
Utilise une technique à base d’eau
Vert
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Propriétés du graphèneMatériau avec la plus haute capacité thermique.
Plus conducteur que le cuivre.
7
Plus fort que l’acier.
Élastique comme le caoutchouc.
Fluides de transfert de chaleur
Encres conductrices
Propriétés du graphèneLéger
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Antibactérien
Aérogel de graphène
Transparent
Hydrophobe
Graphène dans les composites Plusieurs composites de graphène existent.
Graphène + plastiques.
Graphène + oxydes métalliques.
Réaction chimique entre le graphène et la matrice.
Physisorption du graphène sur la matrice4.
94- Raccichini, R.; Varzi, A.; Passerini, A.; Scorsati, B.; Nature Materials, 14, 2015, 271-279.
1 g de graphène 1 terrain de football
couvre
Augmentation de la conductivité thermique. Le graphène a une haute conductivité thermique causée par le transport des phonons dans le matériau non dopé.
Augmentation de 500% dans le caoutchouc de silicone a 0.1 wt%.
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0.1% F1 (Mélange manuel)
0.1% F2 (Méthode améliorée)
0.1% F2 (Méthode améliorée)
Sans graphène
0,2270,269
0,505
0,703
0,797
1,240
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
Co
nd
uct
ivit
éth
erm
iqu
e(W
/mK
)
0.1% D Mélangemanuel
0.1% F1 Méthodeaméliorée
0.1% D Méthodeaméliorée
0.1% F2 Méthodeaméliorée
0.2% F1/F2Méthodeaméliorée
Sans graphène
Augmentation de la conductivité thermique. Pour l’industrie des imprimantes 3D.
Poly (lactic acid) (PLA) et Acrylonitrile butadiène styrène (ABS)
Trop de graphène n’améliore pas les conditions.
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Materiau
Conductivitéthermique à
21-25 oC(W/mK)
Augmentation de la
conductivitéthermique.
Effusivitéthermique
(Ws0.5/m2K)
Augmentation de l’effusivité
thermique.
PLA 0.358
245 %
714.3
112 %PLA+0.075 wt%
Graphène1.234 1517.8
ABS 0.292
339 %
643.5
142 %ABS+0.05 wt%
Graphène1.281 1555.0
Augmentation de l’hydrophobicité des textiles.
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Utilisation de revêtementshydrophobes de polyuréthane (PU).
Ajout d’un composite de graphènepour augmenter l’imperméabilité des surfaces.
74o d’angle de contactrevêtement de PU.
94o d’angle de contactavec 1% de composite
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
0 1 2 3 4 5
An
gle
de
con
tact
(º)
Quantité de composite (wt%)
Amélioration de la résistance à l’abrasion Utilisation de revêtement hydrophobe de PUAjout de composite de graphène pour augmenter la résistance à l’abrasion
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a) Nylon sans revêtement. b) Nylon sans revêtement après 1000 cyclesd’abrasion. c) Nylon avec revêtement de PU + graphène. d) Nylon avecrevêtement de PU + graphène après 1000 cycles d’abrasion
a)
b)
c)
d)
a)
b)
c)
d)
a) Cuir sans revêtement. b) Cuir sans revêtement après 600 cyclesd’abrasion. c) Cuir avec revêtement de PU + graphène. d) Cuir avecrevêtement de PU + graphène après 600 cycles d’abrasion
Amélioration des propriétésmécaniques et conductivité.
Augmentation de la ténacité du UHMPWE avec ajout de seulement 0.5 wt% de graphène.40 % plus élevée.
Résultats obtenus avec aussi peu que 0.1 wt% de graphène
En comparaison, il faut 5% de nanotubes de carbone pour obtenir le même effet.
Percolation avec 1% de graphène, permet l’augmentation de la conductivitéélectrique.
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0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50
5
10
15
20
25
30
35
40
Str
ess (
MP
a)
Strain
UHMWPE
UHMWPE + 0.5% Graphene
Batteries Li-ion
15
Batteries
Recharge ultra rapide
Longue durée
Si-Graphène anode avec un composite graphite-graphène Capacité of 1000 mAh/g après 25 cycles 3 fois plus élevé que le graphite seul
Cellules photovoltaïques4
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Graphène dans les OPVs.Utilisés comme électrode transparente pour
remplacer l’ITO5.
Utilisé comme couche d’accepteur d’électron.
Utilisé comme interface entre les diversescouches.
4- Chang, D.W.; Choi, H.- J.; Filer, A.; Baek, J.-B. J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 12136.5- Yin, Z.; Sun, S.; Salim, T.; Wu, S.; Huang, X.; He, Q.; Lam, Y.M.; Zhang, H.; ACS Nano, 2010, 4, 5263-5268. 6- Yang. N.; Zhai, J.; Wang, D.; Chen, Y.; Jiang, L. ACS Nano, 2010, 4, 887-894
Graphène dans les DSSCs.Transport d’électrons et absorption dans les
photoanodes6.
Électrodes transparentes.
Contre-électrodes.
Conclusion
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Augmentation de la conductivité thermique.
Augmentation de l’hydrophobicité
a)
b)
c)
d)
Meilleure résistance à l’abrasion
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50
5
10
15
20
25
30
35
40
Str
ess (
MP
a)
Strain
UHMWPE
UHMWPE + 0.5% Graphene
Meilleures propriétésmécaniques.
Le graphène est un matériau multifonctionnel qui améliore les propriétés des matériaux avancés. Il reste beaucoup à découvrir sur les avantages du graphène.