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Oct 01, 2023

Matériaux du futur

Grafren AB, membre associé phare du graphène en Suède, progresse dans le développement de revêtements de graphène de fibres de verre qui peuvent être appliqués à plusieurs fins, pour obtenir des produits plus légers,

Grafren AB, membre associé phare du graphène en Suède, progresse dans le développement de revêtements de graphène de fibres de verre qui peuvent être appliqués à plusieurs fins, pour obtenir des produits plus légers, fournir un blindage EMI et améliorer les propriétés électriques, thermiques et mécaniques.

Par rapport aux fibres de carbone, les fibres de verre offrent une alternative moins coûteuse dans une large gamme d'options, depuis les stratifiés infusés de résine de haute qualité pour les applications aérospatiales jusqu'aux fibres courtes pour les thermoplastiques et le moulage par injection. Les fibres de carbone et de verre ont leurs inconvénients. Les fibres de carbone sont très coûteuses, limitant leur application aux produits haut de gamme uniquement. Ils sont également fragiles et peuvent se fissurer lorsqu’une énergie d’impact plutôt faible est appliquée. Les fibres de verre ont des caractéristiques mécaniques inférieures, sont plus lourdes, sensibles à la température et électriquement inactives.

Grafren AB utilise désormais avec succès une approche basée sur le revêtement direct des fibres de verre avec des flocons de graphène pour améliorer les propriétés des fibres de verre. Les approches conventionnelles de revêtement à base de peinture ou de liant au graphène ne sont pas applicables aux fibres de verre. Le graphène et les fibres de verre doivent être intégrés à l'échelle nanométrique, en assemblant et en disposant des flocons de graphène à la surface des fibres. « Nous enduisons les fibres de verre d’une manière unique à l’aide de flocons de graphène. Le revêtement résultant ressemble à une peau de serpent, avec de nombreux flocons disposés à la surface des fibres et se chevauchant les uns les autres », explique Erik Khranovskyy, PDG de Grafren, membre associé de Graphene Flagship. Auparavant, l’équipe a démontré avec succès la fabrication de textiles électroniques légers et doux – des tissus électriquement conducteurs – en utilisant la même approche.

Fibre de verre recouverte de graphène vs fibre de verre nue (crédit : Grafren AB).

Composite de fibre de verre enduit de graphène vs composite de fibre de verre nu (crédit : Grafren AB).

« Nous avons validé cette approche en enduisant plus de 20 types, dimensions et géométries de tissage de fibres de verre, contrôlant avec précision l'uniformité du revêtement et la conductivité électrique. En modifiant l'épaisseur du revêtement des flocons sur chaque fibre individuelle, nous sommes en mesure d'ajuster avec précision la résistance de la feuille du tissu en fibre de verre, de 1 MOhm/m² à 10 Ohm/m² », explique Mike Zhybak, CTO de Grafren.

Fibre de verre recouverte de graphène avec différentes épaisseurs de revêtement et différentes conductivités électriques respectives (crédit : Grafren AB).

La conductivité électrique contrôlée ajoute des fonctionnalités intéressantes aux fibres de verre : par exemple, des couches distinctes de tissu de verre recouvert de graphène peuvent être utilisées comme fils à l'intérieur des pièces composites. Lorsqu'il est appliqué aux véhicules, ce matériau peut transmettre des signaux à faible courant, réduire le poids total du véhicule et éliminer l'utilisation de fils de cuivre lourds et coûteux. "Le graphène est un choix parfait pour cela, car la résistance mécanique des matériaux composites n'est pas compromise", souligne Khranovskyy.

Deuxièmement, les fibres de verre recouvertes de graphène présentent un blindage contre les interférences électromagnétiques (EMI), une barrière qui protège les appareils ou les humains des signaux électromagnétiques externes. Grafren a observé une efficacité de blindage EMI contrôlable dans une fréquence de 1 MHz à 40 GHz atteignant jusqu'à 60 dB. Cette fonction peut être applicable aux boîtiers de batteries des véhicules électriques, où les fibres de verre sont préférées aux fibres de carbone en raison de leur moindre coût. De plus, les caisses métalliques actuelles pèsent entre 90 et 160 kg, ce qui en fait la partie la plus lourde des véhicules électriques – et les matériaux composites à base de graphène peuvent réduire le poids de 30 à 40 %.

Une autre fonction cruciale que la conductivité du graphène confère aux fibres de verre est le chauffage Joule – la production de chaleur due au passage d’un courant électrique. Cela pourrait s’appliquer au chauffage intérieur des véhicules électriques ou des avions, ainsi qu’aux fonctionnalités de dégivrage des véhicules aériens.

"Bien que les gros avions de l'aviation civile disposent de systèmes de dégivrage assez avancés, il est très souvent difficile pour les petits avions et les drones d'opérer dans des conditions glaciales", explique Mike Zhybak, CTO de Grafren. « C'est là que les solutions de Grafren peuvent être utiles. Nous proposons des fibres de verre recouvertes de graphène à intégrer comme couches supérieures pour les structures composites des petits véhicules aériens ».