Affronter les environnements difficiles grâce aux composites aramide-céramique

Les matériaux résistants à l'usure et thermiquement isolants, conçus pour les environnements difficiles, rencontrent souvent des difficultés imprévues lors de leur développement et de leur fabrication. D'une part, le matériau doit conserver des propriétés spécifiques, telles que la résistance aux chocs ; d'autre part, ses performances se dégradent souvent (notamment sa résistance à la chaleur) à haute température. Par conséquent, la création de textiles de protection thermique durables nécessite souvent des procédés de fabrication complexes impliquant la combinaison de plusieurs matériaux.

Aramide fibres Ces matériaux sont largement utilisés dans les applications de protection, notamment pour les équipements des pompiers et des secouristes, en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques. Cependant, leurs caractéristiques thermiques limitent leur utilisation : leur conductivité thermique relativement élevée et leur nature polymère sensible à la température rendent difficile d’assurer une protection thermique adéquate sur une large plage de températures tout en conservant une résistance mécanique robuste.

À l'inverse, les aérogels céramiques offrent des propriétés d'isolation exceptionnelles grâce à leur structure mésoporeuse, caractérisée par une surface spécifique élevée et une faible densité. Cependant, ces matériaux ultralégers souffrent d'une fragilité mécanique et de performances mécaniques médiocres.

Des chercheurs de l'Université de Buffalo ont combiné les atouts des deux matériaux pour développer un nanocomposite d'aérogel aramide/céramique résistant à l'usure qui présente des propriétés mécaniques et thermiques exceptionnelles.


Un échantillon du nouveau nanocomposite d'aérogel d'aramide est présenté posé sur un bouton de fleur, illustrant la légèreté du matériau. Ces caractéristiques font de ce nouveau nanocomposite un candidat prometteur pour la production à faible coût de textiles techniques destinés à être utilisés dans des environnements difficiles, notamment dans les secteurs de l'aérospatiale, de l'électronique et des équipements de protection individuelle.

Une équipe dirigée par un professeur de l'Université de Buffalo a présenté ses résultats concernant ce composite avancé d'aérogel aramide-céramique. Ce matériau se caractérise par une faible densité (0,08 g cm⁻³), une faible conductivité thermique (0,034 W m⁻¹ K⁻¹) et une compressibilité élevée, ainsi qu'une résistance à la compression de 1,1 MPa. Le procédé consiste à préparer un tissu d'aérogel aramide par une réaction de réticulation in situ entre… fibres d'aramide et des précurseurs d'aérogel de silice (HCl, micelles de CTAB, urée et silicate de sodium). Nanowerk décrit le procédé de fabrication : « Nous avons utilisé une stratégie de fabrication simple et adaptable à grande échelle pour produire le nanocomposite par une réaction de réticulation in situ entre un aérogel de silice nanoporeux et des fibres d'aramide ; les fibres nanocomposites ainsi obtenues forment un réseau 3D interconnecté avec une matrice de silice mésoporeuse creuse. » La structure des fibres d'aérogel présente un réseau poreux interconnecté et une forte teneur en air emprisonné, conférant au composite fibres d'aramide-aérogel des performances d'isolation thermique exceptionnelles, même dans des environnements extrêmes allant de -196 °C à 400 °C.

Le principe de cette méthode de fabrication repose sur la réticulation in situ entre les précurseurs d'aérogel de silice et les fibres d'aramide. Lors du séchage à pression ambiante, les précurseurs se transforment en aérogel de silice nanoporeux et se déposent sur les fibres d'aramide. Ces dernières forment un réseau de percolation, sur lequel l'aérogel de silice se réticule et se dépose. La liaison interfaciale entre les fibres d'aramide et l'aérogel, établie lors de la gélification, empêche l'effondrement du réseau de fibres.

Après avoir démontré avec succès les propriétés supérieures de ce matériau isolant nanocomposite, l'équipe étudie maintenant des applications spécifiques, notamment l'isolation thermique et les systèmes résistants à l'usure, les blindages résistants aux chocs et les composants structurels pour les applications thermosensibles.