De nouveaux non-tissés conducteurs d'électricité mais thermiquement isolants
Potentiel technologique élevé
Des chercheurs de l'université de Bayreuth présentent dans "Science Advances" de nouveaux non-tissés électrofilés qui présentent une combinaison inhabituelle de conductivité électrique élevée et de conductivité thermique extrêmement faible. Ces non-tissés représentent une percée dans la recherche sur les matériaux : il a été possible de découpler la conductivité électrique et la conductivité thermique sur la base d'un concept de matériau simple à mettre en œuvre. Les non-tissés sont fabriqués à partir de carbone et de céramique à base de silicium par un procédé d'électrofilage et sont intéressants pour des applications technologiques, par exemple dans les domaines de l'énergie et de l'électronique. Ils peuvent être fabriqués et traités de manière rentable à l'échelle industrielle.
Image électronique à balayage des fibres d'un nouveau non-tissé électrofilé qui présente une combinaison inhabituelle de conductivité électrique élevée et de conductivité thermique extrêmement faible.
UBT
Normalement, une conductivité électrique élevée est associée à une conductivité thermique élevée, et une faible conductivité thermique va de pair avec une faible conductivité électrique. Cependant, dans de nombreuses industries de haute technologie, on observe un intérêt croissant pour les matériaux multifonctionnels qui combinent une bonne conductivité électrique avec un faible transport thermique. Bien que plusieurs stratégies aient été développées dans les matériaux, comme les matériaux inorganiques denses, les polymères conjugués et les alliages, l'obtention d'une conductivité thermique extrêmement faible combinée à une conductivité électrique élevée reste un défi majeur pour les matériaux flexibles et pliables.
L'équipe de recherche de l'université de Bayreuth a découvert un concept innovant pour relever ce défi : de nouveaux non-tissés électrofilés sont fabriqués à partir de céramique à base de carbone et de silicium et sont constitués de fibres ayant une nanostructure de type île de mer et un diamètre compris entre 500 et 600 nanomètres. Chaque fibre contient une matrice de carbone dans laquelle des phases céramiques de taille nanométrique sont réparties de manière homogène. Les particules forment de minuscules "îles" dans la "mer" de la matrice de carbone et ont des effets opposés et complémentaires. La matrice de carbone permet le transport des électrons dans les fibres et donc une conductivité électrique élevée, tandis que les céramiques nanométriques à base de silicium empêchent l'énergie thermique de se propager tout aussi facilement. En effet, l'interface entre la céramique nanométrique et la matrice de carbone est très élevée, tandis que les pores du non-tissé sont très petits. Il en résulte une forte dispersion des phonons, qui sont les plus petites unités physiques des vibrations déclenchées par l'énergie thermique. Il n'y a pas de flux thermique continu et dirigé.
La combinaison inhabituelle d'une conductivité électrique élevée et d'une conductivité thermique extrêmement faible est maintenant mise en évidence par une comparaison avec plus de 3 900 matériaux de tous types, y compris des céramiques, des carbones, des matériaux naturels, des polymères synthétiques, des métaux, des verres et divers composites. Le transport des électrons et l'isolation de l'énergie thermique étaient davantage couplés dans le nouveau matériau composite à fibres électrofilées que dans ces autres matériaux.
"Nos non-tissés électrofilés combinent des propriétés multifonctionnelles très intéressantes qui sont généralement réparties entre différentes classes de matériaux : conductivité électrique élevée, isolation thermique familière des mousses polymères, ininflammabilité et résistance à la chaleur caractéristiques des céramiques. Les fibres sont basées sur un concept de matériau simple et ont été fabriquées à partir de polymères commerciaux", explique le premier auteur, le Dr Xiaojian Liao, chercheur postdoctoral en chimie macromoléculaire à l'université de Bayreuth. "Nous sommes convaincus que nos nouvelles fibres conviennent à plusieurs domaines d'application : par exemple, dans les domaines de la gestion de l'énergie, de l'électromobilité alimentée par batterie, des textiles intelligents ou de l'aérospatiale", déclare le professeur Seema Agarwal, professeur de chimie macromoléculaire à l'université de Bayreuth et l'un des auteurs correspondants de cette nouvelle étude. L'équipe interdisciplinaire de l'université de Bayreuth, experte en céramiques, polymères, électrofilage, chimie physique et microscopie électronique, a permis la réussite de ce travail.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Xiaojian Liao, Jakob Denk, Thomas Tran, Nobuyoshi Miyajima, Lothar Benker, Sabine Rosenfeldt, Stefan Schafföner, Markus Retsch, Andreas Greiner, Günter Motz, Seema Agarwal: Extremely low thermal conductivity and high electrical conductivity of sustainable carbonceramic electrospun nonwoven materials. Science Advances (2023), Vol 9, Issue 13
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