Les matériaux carbonés et leurs applications techniques

Le carbone dispose de propriétés physico-chimiques et électriques uniques qui en font un matériau de choix utilisé seul ou au sein de matériaux carbonés pour toute une gamme d’applications techniques. Les matériaux carbonés bénéficient toujours de l’apport très quantifiable du carbone. Ils voient leurs performances nettement améliorées et leur longévité prolongé. Il est même souvent constaté que le mélange du carbone avec un autre matériau est plus pertinent que l’utilisation du carbone seul. On connaît bien la résistance mécanique et la souplesse physique de ces matériaux carbonés. Voici quelques-unes de ces applications…

Le chaud et le froid peuvent bien souffler

Les matériaux carbonés et les composites à matrice de carbone (CAMC) peuvent être utilisés dans les échangeurs de chaleur et les dissipateurs thermiques. Ony a recours pour un certain nombre d’applications de gestion thermique liées aux systèmes de CVC et de réfrigération. C’est le cas en particulier dans les environnements à haute température et corrosifs.

De récents développements dans le domaine des matériaux carbonés, tels que le nouveau graphite naturel, la mousse de carbone, les nanotubes de carbone et les CAMC ouvrent de nouvelles possibilités techniques. Il va être possible d’envisager de nouvelles conceptions d’échangeurs de chaleur pour des applications compactes et légères. Il est clair que ces matériaux sont prometteurs pour la construction d’échangeurs de chaleur dans différentes applications. Des recherches supplémentaires sont encore nécessaires sur les propriétés des matériaux, leur comportement à long terme, la conception structurelle et la réduction des coûts de fabrication.

Mieux dissiper la chaleur des composants électroniques

Des matériaux de dissipation de la chaleur ayant une conductivité thermique plus élevée sont nécessaires pour les futurs appareils électroniques. Ils fonctionneront à des densités de puissance beaucoup plus élevées. Les matériaux carbonés tels que le graphite, le graphène, les nanofibres de carbone, les nanotubes de carbone et les diamants sont des candidats prometteurs pour la prochaine génération de matériaux de dissipation de la chaleur. En effet, leur conductivité thermique est de 2 à 10 fois supérieure à celle du cuivre.

Divers matériaux carbonés monolithiques ont été signalés comme étant de bons matériaux de dissipation de la chaleur pour ce genre d’applications techniques du carbone. Ce sont notamment les feuilles de graphite synthétique, les mousses de graphite, le graphite pyrolytique hautement orienté et un matériau hybride aligné verticalement composé de fines plaquettes de diamant recouvertes d’une couche de graphite cristallin.

Des composés de pointe pour la protection de l’environnement

Que ce soit pour l’adsorption des gaz, des liquides, et même de la radioactivité, les composés carbonés se révèlent être particulièrement performants. Leurs propriétés d’adsorption les plus importantes reposent sur leur structure microporeuse. Elle peut être déterminée par le mécanisme de remplissage des pores à l’équilibre et par le comportement de diffusion des molécules d’adsorbant de la surface externe dans le grain. De nouveaux procédés d’application du charbon actif en grains en phase gazeuse, outre la récupération de solvant, ont été développés pour l’adsorption de gaz contenant du soufre et de gaz radioactifs. Ils sont aussi exploités en phase aqueuse pour la purification des boissons et des eaux usées. De nouveaux tamis moléculaires en charbon sont à la base des procédés de séparation des gaz, par exemple la récupération de O2 ou de N2 dans l’air ou la récupération de H2 dans les gaz contenant du H2.

Percevoir les potentiels électriques biologiques

Les électrodes en pâte de carbone (EPC) sont très adaptées à une variété d’applications. De nombreux travaux ont été consacrés au développement de nouvelles surfaces d’électrodes sensibles et sélectives. Elles sont basées sur la pâte de carbone comme matériau d’électrode. L’application de matériaux carbonés nouveaux et prometteurs, comme surfaces d’électrodes, est une direction de recherche très active. Les résultats expérimentaux de la caractérisation et de la comparaison des surfaces d’électrodes basées sur des matériaux carbonés préparés, charbon actif, charbon actif oxydé au HNO3, charbon actif imprégné d’Ag et oxyde de graphite ont été démontrés. Le microscope électronique à balayage, l’acidité de surface, la spectroscopie, la diffractométrie et les techniques électrochimiques ont été appliqués à la caractérisation de nouveaux matériaux carbonés. Ils seront destinés à la détection électrochimique de l’ADN, un des marchés les plus prometteurs des biotechs.

Les composés carbonés font leur révolution 2D

L’invention de matériaux carbonés en 2D comme le graphène a créé de nouveaux outils pour de nouvelles solutions techniques. En raison de leur structure unique et de leurs caractéristiques optiques, électriques et mécaniques, ces nouveaux matériaux auront un large éventail d’applications dans divers domaines. Ces nouveaux matériaux peuvent changer le monde. Ce n’est pas pour rien que nous parlons de l’âge du bronze et de l’âge du fer. Le béton, l’acier inoxydable et le silicium ont rendu possible l’ère moderne. Aujourd’hui, une nouvelle classe de matériaux, chacun constitué d’une seule couche d’atomes, émerge avec un potentiel de grande envergure.

Connue sous le nom de matériaux bidimensionnels, cette classe s’est développée au cours des dernières années pour inclure des couches de carbone (graphène), de bore (borophène), de nitrure de bore hexagonal (graphène blanc), de germanium (germanène), de silicium (silicène), de phosphore (phosphorène) et d’étain (stanène). Il a été démontré que d’autres matériaux en 2D sont théoriquement possibles mais pas encore synthétisés, comme le graphyne à partir du carbone. Chacun d’entre eux possède des propriétés intéressantes et les différentes substances 2D peuvent être combinées comme des briques pour construire encore plus de nouveaux matériaux. On leur prédit même un grand avenir dans les futurs systèmes de stockage de l’énergie.