ALS - Magazine 6 - Septembre 2017

ALS MAG ALS Mag / 35 LES DIFFÉRENTES MORPHOLOGIES DU CARBONE Une des richesses de ce matériau est également de pouvoir exister sous différentes formes morphologiques. On peut le trouver sous forme de particules, de monolithes, de nanotubes de carbone, de fibres, de tissus, de composites à matrice organique ou céramique. Ces morphologies variées et ces différents états du carbone sont illustrés dans les Figures 1 et 2. Figure 1 : Le carbone sous toutes ses formes. Figure 2 : Le carbone dans tous ses états CARACTÉRISTIQUES DU CARBONE Le carbone cristallin pur existe dans la nature sous forme de diamant et de graphite. Les propriétés physiques et chimiques du carbone dépendent de la structure cristalline de l’élément. Sa densité fluctue entre 2,25 g/cm³ pour le graphite et 3,51g/cm³ pour le diamant. Le point de fusion du graphite est de 3500ºC. Le carbone élémentaire est inerte et insoluble dans l’eau ou les solvants organiques. À température élevée, il se lie avec l’oxygène pour former le monoxyde ou le dioxyde de carbone. Nous connaissons plus d’un million de composés qui possèdent du carbone lié à l’hydrogène, ainsi qu’un grand nombre de composés inorganiques qui contiennent du carbone. Les hydrocarbures exclusivement formés de carbone quadrivalent et d’hydrogène constituent le plus grand groupe des composés du carbone. Le carbone réagit tout particuliè- rement bien avec le fluor pour former des halogé- nures de carbone comme le chlorofluorocarbure, CCl 2 F 2 , aussi appelé fréon, gaz employé jadis dans les systèmes de refroidissement. On retrouve également le carbone lié à l’hydrogène dans toutes les plantes et tous les animaux. L’affinité unique du carbone avec les autres éléments le conduit par liaisons chimiques successives, à former de longues chaînes de molécules, comme celles des acides aminés, des protéines ou de l’ADN. De nombreux métaux se combinent avec cet élément à température élevée pour former des carbures. La diversité des matériaux carbonés provient des différents procédés de préparation pouvant être mis en œuvre. Ces procédés sont souvent simples à exploiter industriellement et font, dans certains cas, appel à des précurseurs issus de la biomasse. Très schématiquement, 3 voies principales condui- sent à l’obtention de carbone synthétique : J Les voies physiques à partir d’un solide qui peut être du carbone ou du graphite utilisant des techniques telles que l’évaporation thermique, les lasers, la décharge électrique, l’énergie solaire, etc. J Les voies mécaniques à partir d’un solide parmi lesquelles le broyage, l’exfoliation, la détonation-implosion, etc. J Les voies chimiques à partir de précurseurs organiques (bois, saccharose, noyau de cerise, noix de coco, etc.), d’hydrocarbures gazeux ou liquides (brai de houille ou de pétrole) et de polymères (notamment pour la fabrication de fibres). Les carbones obtenus sont de deux types, en fonction du précurseur utilisé et des conditions de fabrication : les carbones dits graphitables et les carbones non-graphitables. Pour la première catégorie, ils pourront être chauffés à des températures entre 2000 et 3000°C pour guérir les défauts présents dans la structure et tendre vers la structure du graphite hexagonal. Le dernier arrivé dans la famille des carbones, à savoir le graphène, peut être produit par des voies mécaniques (par exemple, en décollant le dernier plan en surface d’un cristal de graphite à l’aide d’un ruban adhésif ou à partir d’une mine de crayon), physiques à partir du carbure de silicium, par décomposition catalytique à haute température d’un gaz carboné ou par des voies chimiques (oxydation du graphite dans un milieu acide et traitement par un solvant réducteur pour purification). Une autre méthode simple et efficace a été récemment proposée pour la fabrication de graphène à partir d’un mélange de graphite, d’eau et de détergent, à l’aide d’un mixeur de cuisine à très haute vitesse ! Mais la qualité du matériau obtenu reste faible. Très récemment, des équipes françaises ont publié dans Nature Chemistry, la possibilité d’obtenir des dispersions de graphène à partir d’un sel de graphite dissous dans de l’eau dégazée. ‘L’eau de Graphène’ est née ainsi. 1 Tous les types de carbone peuvent faire l’objet de modifications de composition, de surface, de structure et de porosité par des post-traite- ments physiques, chimiques ou mécaniques. Des hétéroatomes peuvent également être introduits dans la structure carbonée pour en modifier les propriétés. A chaque carbone, son post-traitement en fonction des caractéristiques finales recherchées pour le matériau, en lien avec les performances applicatives recherchées. PROCÉDÉS DE FABRICATION POUR OBTENIR UN PANEL DE MATÉRIAUX CARBONÉS À PROPRIÉTÉS MAÎTRISÉES ET VARIÉES.