Les matériaux aérogels jouent un rôle vital en tant que matériaux de protection nécessaires dans de nombreux domaines, notamment en tant que matériau de protection contre les interférences électromagnétiques pour la technologie 5G, matériau d’isolation thermique dans les immeubles de grande hauteur et matériau furtif infrarouge pour les applications militaires. Cependant, les matériaux de protection actuels perdent souvent leurs fonctions de protection dans des conditions difficiles telles que des températures extrêmes, ce qui les rend inefficaces. D’autres matériaux de protection perdent leur élasticité, ce qui entraîne des problèmes de performances similaires. Aujourd’hui, de nouveaux matériaux d’aérogel capables de conserver leur fonctionnalité et leur superélasticité à des températures extrêmes ont été développés par une équipe de chercheurs de l’Université du Sichuan.
Les résultats ont été publiés dans Nano-recherche.
« Nous avons cherché à résoudre le problème de la détérioration sévère des performances des matériaux d’aérogel protecteurs conventionnels dans des conditions de travail difficiles », a déclaré l’auteur correspondant Hai-Bo Zhao, professeur au Collège de chimie de l’Université du Sichuan.
Avant les développements de l’équipe de Zhao, les matériaux en mousse à base de polymère étaient couramment utilisés comme matériaux de protection. Ces matériaux présentaient les caractéristiques positives de superélasticité et de haute compressibilité mais étaient incapables de maintenir ces propriétés après les températures de fusion des polymères. Un autre matériau couramment utilisé était les mousses métalliques et céramiques, qui étaient stables sur toutes les plages de température d’une manière que leurs homologues en mousse à base de polymère n’étaient pas mais n’avaient pas l’élasticité nécessaire pour être pratiques.
Une approche qui se rapprochait d’une solution évolutive consistait à utiliser des aérogels de carbone, qui présentent des caractéristiques qui se prêtent bien à l’isolation thermique et aux interférences électromagnétiques, telles qu’une surface spécifique élevée, une faible densité, une bonne conductivité électrique et une stabilité chimique et thermique. Cependant, les aérogels de carbone ont des limites en raison de certaines propriétés inhérentes. Les nanotubes de carbone sont devenus un moyen populaire de construire des aérogels de carbone superélastiques, car ils pouvaient conserver les propriétés nécessaires à des températures élevées, mais comme la préparation nécessitait de nombreuses étapes, les méthodes n’étaient pas évolutives.
En se concentrant sur la conception de la microstructure, l’équipe de Zhao a pu développer un aérogel polymère à superélasticité qui fonctionnait dans une plage de températures de -196 à 500°C avec un processus évolutif et pratique.
« Contrairement à la plupart des aérogels de carbone rapportés précédemment qui possèdent généralement de mauvaises propriétés mécaniques, les matériaux d’aérogel préparés présentent une superélasticité invariante en température tout en maintenant des performances de protection multifonctionnelles », a déclaré Zhao, qui est également affilié au Laboratoire national d’ingénierie pour les matériaux polymères respectueux de l’environnement dans le Sichuan. et avec le Collaborative Innovation Center for Eco-Friendly and Fire-Safety Polymeric Materials.
La méthode de Zhao utilise des nanotubes de carbone multiparois composites carbone/aérogel de carbone orientés bidirectionnellement – en d’autres termes, une combinaison qui permet de combiner les traits positifs des aérogels de carbone avec les traits positifs des nanotubes de carbone – avec un squelette de carbone hautement ordonné, l’un des différenciateurs clés entre cette nouvelle méthode et les méthodes précédentes. Leur méthode évolutive pour obtenir les microstructures souhaitées, en particulier les structures en arc hautement orientées, implique un processus de congélation et de carbonisation bidirectionnel pour développer les aérogels carbone/carbone.
« Les matériaux aérogel rapportés conservent une superélasticité, une efficacité élevée de protection contre les interférences électromagnétiques, une isolation thermique et une furtivité infrarouge dans une large plage de températures de -196 à 500 °C et après une compression cyclique des centaines de fois », a déclaré Zhao. « L’aspect le plus excitant est le processus de préparation économique et simple, qui a jeté les bases de l’application pratique potentielle du matériau. »
Zhao a déclaré que la prochaine étape consiste à rendre les aérogels disponibles pour une utilisation dans des contextes commerciaux, militaires et autres.
« Nous aimerions promouvoir l’industrialisation de l’aérogel rapporté et poursuivre l’application dans la technologie 5G, les immeubles de grande hauteur, l’utilisation militaire et plus encore », a-t-il déclaré.
Bo-Wen Liu et al, Aérogel protecteur multifonctionnel avec superélasticité de -196 à 500 ° C, Nano-recherche (2022). DOI : 10.1007/s12274-022-4699-2
Fourni par Tsinghua University Press