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.

2

3

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

4

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.

5

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

6

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

8

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%.

10

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.

11

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.

12

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

13

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.

14

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

16

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

17

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.