Le premier Aérogel PPS imprimable en 3D a été synthétisé et les architectures de base des aérogels n'ont pas été reproduites dans les recherches avancées précédentes à Virginia Tech. Grâce à cette innovation, l'application de cette nouvelle amélioration se traduit par diverses possibilités d'architectures d'aérogels et d'utilisations dans différentes industries utilisant des méthodes de fabrication additive.

Impression 3D d'aérogel : Création de structures ultra-légères

Impression 3D révolutionne la façon dont les matériaux sont développés et les produits fabriqués. En permettant des géométries et des conceptions jusqu'alors impossibles, la fabrication additive ouvre la voie à des applications et des industries entièrement nouvelles. Les aérogels constituent une catégorie de matériaux qui devrait bénéficier grandement des capacités d'impression 3D.

Aérogels sont des solides poreux ultralégers dérivés de gels dont le composant liquide est remplacé par de l'air. Bien qu'ils offrent des propriétés d'isolation sans précédent, les aérogels produits traditionnellement sont limités à des formes basiques. Les chercheurs de Virginia Tech ont reconnu que l'impression 3D pouvait repousser les limites de ces matériaux révolutionnaires en permettant des architectures complexes.

Leur percée a consisté à développer le premier aérogel de sulfure de polyphénylène (PPS) pouvant être directement imprimé en 3D à l'aide d'une imprimante spécialisée à haute température. Aérogels en PPS conservent leurs qualités d'isolation tout en acquérant une résistance mécanique grâce au polymère. Cela a ouvert la voie au contrôle de la structure des aérogels à l'échelle macro et nanométrique par le biais de méthodologies de dépôt.

Cette approche transforme les possibilités de conception des aérogels. D'autres recherches visant à optimiser les compositions imprimables ouvrent des perspectives encore plus vastes. Ce rapport explorera le travail de pionnier de l'équipe de Virginia Tech dans le développement d'aérogels de PPS imprimables en 3D et les implications pour les applications d'aérogels de la prochaine génération.

Propriétés et applications des matériaux aérogels

Histoire et composition des aérogels

L'aérogel a été découvert par hasard en 1931 par Samuel Stephens Kistler de l'Université de Californie, Santa Barbara. Il s'intéresse au gel de silice et découvre qu'il est possible d'échanger le fluide avec de l'air. Cela a conduit à la formation d'un espace d'air de près de 99% qui a été baptisé "aérogel" par Kistler. Les aérogels sont une nouvelle classe de nanomatériaux basés sur le gel, où la phase liquide du gel a été remplacée par un gaz. En effet, le séchage du gel s'effectue dans des conditions supercritiques, ce qui permet d'extraire le liquide sans que la structure ne soit soumise à des forces capillaires. Ce processus de production unique permet aux aérogels d'avoir des caractéristiques extrêmes que l'on ne retrouve pas dans d'autres matériaux.

Avantages et limites de l'aérogel

Avantages

Voici quelques-uns des principaux avantages des aérogels :

• Densité extrêmement faible - Généralement moins de 100 fois plus dense que l'air. Les aérogels de silice peuvent avoir une densité inférieure à 3% de celle de l'eau.
• Isolation thermique élevée - Les aérogels sont d'excellents isolants en raison de la taille extrêmement réduite de leurs pores et des poches d'air ou de gaz qu'ils contiennent.
• Isolation acoustique - Les ondes sonores ne peuvent pas passer facilement à travers la structure en réseau de l'aérogel.
• Transparence - Lorsque la densité est suffisamment faible, les aérogels peuvent être transparents à la lumière visible.

Limites

Les principales limitations des aérogels sont les suivantes :

• Fragilité - Les aérogels sont des solides fragiles susceptibles de se fissurer ou de s'écraser en cas de pression excessive. Des précautions particulières doivent être prises lors de la manipulation.
• Complexité de la production - Le processus de production, en particulier le séchage supercritique, nécessite un contrôle précis et un équipement spécialisé, ce qui rend les aérogels plus coûteux que les matériaux traditionnels.

Applications actuelles de l'aérogel

Isolation thermique et acoustique

Les aérogels sont utilisés pour l'isolation thermique dans des applications telles que l'enveloppe des bâtiments, les vêtements et le stockage cryogénique des combustibles. Grâce à leurs propriétés d'isolation acoustique, les aérogels sont également utilisés dans les panneaux automobiles et aéronautiques destinés à réduire le bruit.

Membranes de séparation des gaz

Certaines formulations d'aérogels métalliques ne laissent passer que certains gaz comme l'hydrogène ou l'hélium, ce qui permet de les utiliser dans les processus de séparation et de purification des gaz industriels.

Isolation transparente

Lorsqu'ils sont purs et transparents, les aérogels laissent passer la lumière mais bloquent les infrarouges et le transfert de chaleur, créant ainsi une nouvelle catégorie d'"isolation transparente" pour les fenêtres des bâtiments à haut rendement énergétique.

Recherche de Virginia Tech sur les aérogels de sulfure de polyphénylène (PPS)

Collaboration de recherche entre Moore et Williams

Les chercheurs Tyler Moore et Eric Williams du Macromolecules and Interfaces Institute de Virginia Tech ont collaboré au développement de matériaux aérogels à base de sulfure de polyphénylène (PPS). Le PPS est un thermoplastique technique connu pour sa résistance à la chaleur et aux produits chimiques, mais il n'a jamais été transformé en aérogel.

Développement d'un matériau aérogel en PPS

Moore et Williams ont perçu les avantages potentiels de la création d'un aérogel de PPS qui pourrait tirer parti des attributs de résistance et de stabilité inhérents au polymère tout en obtenant les propriétés de faible densité et d'isolation d'un réseau d'aérogels. En expérimentant les techniques de gélification et de séchage supercritique, ils ont réussi à créer les premiers monolithes d'aérogel de PPS pur.

Les premiers tests ont révélé que l'aérogel de PPS avait une porosité de plus de 90% tout en conservant la résistance à la traction du plastique dense. Sa structure très poreuse offre une excellente isolation thermique et une surface très élevée pour des applications telles que la catalyse. L'opacité de l'aérogel permet d'incorporer des colorants ou des charges plus uniformément que les pièces en PPS dense.

Processus simple de production de gel PPS

La méthode de production des aérogels de PPS se distingue par sa simplicité par rapport aux aérogels de silice ou de résorcinol-formaldéhyde. L'équipe a découvert qu'un processus en une étape utilisant une polymérisation de la solution de PPS suivie d'une coagulation à l'eau froide permet d'obtenir un réseau de gel humide autoportant.

Le séchage au CO2 supercritique élimine ensuite l'eau sans effondrer la structure. Aucun réticulant ou catalyseur toxique n'est nécessaire, ce qui évite les synthèses chimiques complexes. La fabrication de l'aérogel de PPS est donc plus économiquement évolutive et plus respectueuse de l'environnement.

Avantages de l'aérogel en PPS imprimable en 3D

L'aspect le plus innovant est peut-être le fait que les propriétés rhéologiques de l'aérogel lui permettent d'être imprimé en 3D par écriture directe à l'encre avant séchage. Cela permet de créer des pièces d'aérogel complexes et personnalisées avec des structures internes architecturées.

Moore et Williams travaillent à la formulation d'"encres" d'aérogel de densité, de rigidité et de conductivité variables pour l'impression 4D, ce qui permet de modifier la forme après impression. Parmi les applications envisagées, citons les dispositifs portables légers, les structures aérospatiales déployables et les échafaudages biomédicaux.

Le développement par l'équipe de Virginia Tech d'aérogels de PPS imprimables en 3D ouvre de nouvelles frontières en matière de conception de matériaux isolants de haute performance qui tirent parti des avantages de la fabrication additive. D'autres applications sont à l'étude dans le cadre d'une recherche collaborative.

Impression 3D d'aérogels en PPS

Contributions de Godshall et Rau

Will Godshall et Wolfgang Rau, professeurs d'ingénierie à Virginia Tech, ont rejoint les efforts de recherche de Tyler Moore et Eric Williams pour réaliser le potentiel des aérogels de PPS imprimés en 3D. Godshall a apporté son expertise dans les technologies de fabrication additive, tandis que Rau s'est spécialisé dans le traitement des polymères à haute température.

Ensemble, ils ont cherché à développer les capacités d'impression 3D nécessaires pour gérer l'étape de séchage supercritique directement dans l'imprimante, en fermant la boucle de traitement. Cela permettrait d'éliminer les limites de forme liées à l'impression de gels humides pour les pièces finales de l'aérogel.

Conception d'une imprimante 3D à haute température

Godshall a supervisé la reconception d'une imprimante 3D industrielle à polymères pour qu'elle puisse résister à des températures allant jusqu'à 400°C et à des pressions de plus de 150 bars dans sa chambre d'impression. Des éléments d'étanchéité et de chauffage spéciaux ont été incorporés, ainsi que des fenêtres permettant de surveiller le processus de séchage en milieu fermé.

L'équipe a également mis en place une surveillance en temps réel des paramètres critiques tels que les gradients de température et les contraintes exercées sur les pièces imprimées. Rau a mis en place des commandes logicielles permettant d'adapter avec précision les conditions d'exposition au CO2 supercritique aux conditions de séchage mises au point par Moore et Williams.

Impression et post-traitement des aérogels de PPS

Une fois que les essais ont validé la fonctionnalité de l'imprimante à haute température, Moore et Williams ont travaillé à l'optimisation de la rhéologie de l'"encre" aérogel PPS pour le dépôt direct. Les premières impressions ont montré que les propriétés non newtoniennes d'amincissement par cisaillement de l'encre permettaient d'obtenir des structures délicates en surplomb.

Dans la chambre fermée, les conditions ont été élevées au-dessus du point critique du CO2 tout en réduisant les contraintes. Cela a permis l'extraction supercritique et le séchage des pièces imprimées sans effondrement ni déformation des structures 3D complexes souhaitées.

Réglage des propriétés des aérogels par impression

En variant les vitesses d'impression, les densités et les profils de traitement supercritique, l'équipe a pu concevoir des aérogels avec des valeurs d'isolation personnalisées allant de 0,03 à 0,20 W/m-K, ainsi que des résistances mécaniques sur mesure. La porosité variait de 80 à 98% du volume total.

L'impression plus fine a également permis aux chercheurs d'introduire des canaux internes sophistiqués et des gradations à l'échelle microscopique, impossibles à réaliser par d'autres méthodes. Ce concept d'"aérogel imprimé en 4D" attire l'attention pour les échafaudages régénératifs biomédicaux.

La collaboration avec Virginia Tech a permis l'impression 3D entièrement additive d'aérogels de PPS grâce à un flux de travail innovant à haute température. D'autres travaux pourraient permettre d'élargir la bibliothèque de matériaux aérogels imprimables.

Impact des aérogels de PPS imprimés en 3D

Le développement d'aérogels PPS imprimables en 3D par l'équipe de recherche de Virginia Tech a des implications significatives pour l'avancement des technologies des aérogels. Voici quelques-unes des principales conséquences :

Permettre des formes et des conceptions complexes d'aérogels

La fabrication additive permet de produire des aérogels avec des géométries sans précédent qui étaient auparavant impossibles à réaliser. Cavités internes, structures poreuses graduées, profils imbriqués - l'impression 3D ouvre l'espace de conception de manière exponentielle.

Cela permet d'adapter les propriétés de l'aérogel à des formes tridimensionnelles complexes, allant des implants biomédicaux aux composants déployables d'engins spatiaux. L'"impression 4D", qui modifie la forme, ajoute la possibilité de transformations déclenchées par un stimulus.

Applications pour l'isolation et les structures légères

Les aérogels de PPS combinent les performances d'isolation avec la résistance mécanique et la résistance chimique/thermique pour une utilisation dans des environnements difficiles. Les monolithes imprimés ou les composites hybrides permettent d'isoler les équipements, les tuyaux et les installations industrielles fonctionnant à des températures élevées.

Les pièces allégées en aérogel permettent d'économiser du carburant et d'améliorer l'efficacité des transports. Les treillis architecturés en aérogel pourraient révolutionner les panneaux de construction isolés et ouvrir la voie à des techniques de construction en aérogel entièrement nouvelles.

Réduire l'utilisation des matériaux et améliorer l'efficacité

L'impression additive permet de produire des aérogels à la demande avec un minimum de perte de matière en ne déposant que ce qui est nécessaire. Les géométries complexes utilisent moins de matériau que les blocs pour réaliser la même fonction.

Le traitement des aérogels dans une seule imprimante 3D en boucle fermée améliore aussi considérablement l'efficacité par rapport aux méthodes de traitement par lots en plusieurs étapes. Cela renforce la viabilité commerciale des aérogels en vue d'une adoption industrielle à grande échelle.

Potentiel de développement du matériel

Le contrôle affiné du traitement obtenu par l'impression 3D à haute température pourrait permettre d'aérogélifier de nouvelles catégories de polymères et de composites à hautes performances, ce qui n'était pas possible jusqu'à présent.

De nouvelles "encres" d'aérogel pourraient incorporer des fibres, des plaques, des particules ou des additifs fonctionnels avancés pendant l'impression, afin de créer une nouvelle génération de matériaux aérogels imprimables multifonctionnels. Cela permettra d'innover davantage dans les domaines de l'aérospatiale, de l'énergie, de l'électronique et au-delà.

Dans l'ensemble, les méthodes d'impression 3D telles que celles mises au point à Virginia Tech permettent aux aérogels d'être utilisés à plus grande échelle, car elles offrent aux concepteurs et aux ingénieurs un contrôle sans précédent sur l'architecture des matériaux, de la micro- à la macro-échelle.

Conclusion

Les recherches menées par Moore, Williams, Godshall, Rau et leurs collaborateurs à Virginia Tech représentent une avancée majeure dans le domaine des matériaux aérogels. En développant le premier aérogel PPS imprimable en 3D et des techniques d'impression et de traitement personnalisées, ils ont ouvert des voies entièrement nouvelles pour l'utilisation des aérogels, ce qui était impossible auparavant.

La possibilité de concevoir et de produire des aérogels en 3D sous la forme de structures architecturales complexes adaptées aux échelles macro, micro et même nanométriques ouvre la voie à un large éventail de nouvelles applications. Qu'il s'agisse d'isolants et de composites légers, d'échafaudages biomédicaux ou de composants aérospatiaux déployables, les aérogels imprimés en 3D sont sur le point d'avoir un impact significatif sur de nombreuses industries.

Bien que ce travail se soit concentré sur le PPS, les capacités d'impression 3D à haute température affinées fournissent également un prototype pour la fabrication additive d'autres systèmes d'aérogels polymères et hybrides. La poursuite de l'innovation dans les compositions d'aérogels imprimables permettra d'élargir encore leur espace de conception. L'utilisation commerciale d'aérogels imprimés en 3D a un grand potentiel pour permettre une isolation plus efficace des produits et des bâtiments dans le monde entier.

FAQ

Q : Qu'est-ce qui fait du PPS un bon candidat pour l'impression 3D d'aérogels ?

R : Le PPS est un thermoplastique technique connu pour sa solidité, sa résistance à la chaleur et sa stabilité chimique. Ces propriétés permettent aux aérogels de PPS de conserver leur forme lors d'un traitement à haute température, comme le séchage supercritique dans une imprimante 3D.

Q : Comment les propriétés rhéologiques des encres aérogels PPS permettent-elles l'impression 3D ?

R : Les encres aérogels PPS sont non newtoniennes et s'amincissent par cisaillement, ce qui signifie qu'elles s'écoulent facilement lorsqu'elles sont extrudées, mais qu'elles se solidifient rapidement, ce qui permet d'imprimer des surplombs et des dessins complexes. Leur viscosité peut également être adaptée aux différentes imprimantes et résolutions.

Q : Pour quels types d'applications les aérogels de PPS imprimés en 3D sont-ils développés ?

R : Les utilisations potentielles comprennent l'isolation légère des tuyaux, des équipements et des panneaux de construction. Les structures en treillis complexes pourraient permettre de nouvelles techniques de construction. Des applications dans les domaines de l'aérospatiale, de la biomédecine et de l'énergie sont également à l'étude grâce à la poursuite des travaux de recherche.