Des chercheurs développent de nouveaux non-tissés électriquement conducteurs mais thermiquement isolants

4 avril 2023

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par l'Université de Bayreuth

Des chercheurs de l'Université de Bayreuth présentent de nouveaux non-tissés électrofilés dans Science Advances qui présentent une combinaison inhabituelle de conductivité électrique élevée et de conductivité thermique extrêmement faible.

Les non-tissés représentent une avancée dans la recherche sur les matériaux : il a été possible de découpler la conductivité électrique et thermique sur la base d'un concept de matériau simple à mettre en œuvre. Les non-tissés sont fabriqués à partir de céramique à base de carbone et de silicium via un procédé d'électrofilature et sont attrayants pour des applications technologiques, par exemple, dans les technologies énergétiques et l'électronique. Ils peuvent être fabriqués et transformés de manière économique à l'échelle industrielle.

Normalement, une conductivité électrique élevée est associée à une conductivité thermique élevée, et une conductivité thermique faible est associée à une conductivité électrique faible. Cependant, dans de nombreuses industries de haute technologie, il existe un intérêt croissant pour les matériaux multifonctionnels qui combinent un bon transport 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 en combinaison avec 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 constitués de céramique à base de carbone et de silicium et sont constitués de fibres avec une nanostructure de type île marine et d'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 "îlots" 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 la céramique à base de silicium de taille nanométrique empêche 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 diffusion des phonons, qui sont les plus petites unités physiques de vibrations déclenchées par l'énergie thermique. Un flux de chaleur dirigé continu ne se produit pas.

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 les céramiques, les carbones, les matériaux naturels, les polymères synthétiques, les métaux, les verres et divers composites. Le transport des électrons et l'isolation de l'énergie thermique étaient plus couplés dans le nouveau matériau en fibres composites 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, et ininflammabilité et résistance à la chaleur caractéristiques de la céramique. Les fibres sont basées sur un concept de matériau simple. , et ils ont été fabriqués 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 céramique, polymères, électrofilage, chimie physique et microscopie électronique, a fait de ce travail un succès.

Plus d'information: Xiaojian Liao et al, Conductivité thermique extrêmement faible et conductivité électrique élevée de matériaux non tissés électrofilés en céramique de carbone durable, Science Advances (2023). DOI : 10.1126/sciadv.ade6066

Informations sur la revue :Avancées scientifiques

Fourni par l'Université de Bayreuth