Etude paramétrique de l'interaction laser pulsé nanoseconde avec le carbone

May 12, 2024

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 2048 (2023) Citer cet article

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Une technique de traitement au laser est proposée pour le traitement d'une plaque bipolaire composite de nanotubes de carbone (CNT) de 2,5 mm d'épaisseur pour les piles à combustible à membrane échangeuse de protons (PEMFC). Cette étude vise à comprendre expérimentalement l'interaction du laser avec la plaque composite CNT à l'aide d'un laser nanoseconde pulsé. La profondeur de pénétration, la largeur supérieure, la largeur des projections et les morphologies physiques globales sont étudiées. Un microscope électronique à balayage (MEB) et un microscope confocal à balayage 3D ont été utilisés pour l'observation et les mesures. Sur cette base, une enquête paramétrique est menée et rapportée systématiquement. Plus important encore, le taux de répétition des impulsions présente une nature d'interaction unique qui a abouti à un taux de répétition critique distinguant trois régimes opérationnels. Les propriétés physiques et chimiques des régimes sont ensuite analysées par des tests de microdureté Vickers et des analyses aux rayons X à dispersion d'énergie (EDX) effectuées sur la surface et la section transversale de chaque échantillon. Les résultats révèlent que le taux de répétition des impulsions introduit des changements dans les propriétés mécaniques et les compositions chimiques à proximité de la région traitée. En conclusion, une répétition plus faible des impulsions doit être privilégiée pour avoir moins d’impact sur les propriétés mécaniques, la composition chimique et les aspects morphologiques.

Les nanotubes de carbone (NTC) possèdent des propriétés mécaniques remarquablement exceptionnelles (module d'élasticité et résistance à la traction) et des conductivités électriques et thermiques supérieures, ce qui en fait des matériaux conducteurs rigides et résistants, avec un faible poids par rapport à l'acier et à d'autres matériaux structurels1. Cela a suscité beaucoup d’attention dans la société avancée des composites quant à leur utilisation comme matériaux de renforcement pour l’avancement des matériaux composites2. Ces composites sont utilisés pour diverses applications dans les systèmes portables (textiles intelligents), la robotique, les appareils électroniques et les systèmes de conversion d'énergie de nouvelle génération3,4,5. En plus de propriétés mécaniques, électriques et thermiques remarquables, les NTC possèdent des rapports surface/volume élevés résultant de leurs petits diamètres, de l'ordre de quelques nanomètres. Cela a créé une excellente opportunité pour les composites NTC, en particulier dans les batteries et les dispositifs de conversion d'énergie, où l'augmentation de la surface de contact effective des électrodes par volume joue un rôle important dans l'efficacité de la conversion d'énergie6,7,8. Les NTC sont identifiés comme étant potentiellement utiles dans les systèmes de batteries lithium-ion, les piles à combustible et les cellules solaires9,10,11. Un composite de NTC avec une nanoparticule métallique comme électrode double les performances des piles à combustible à hydrogène grâce à l'activité catalytique accrue des électrodes à base de nanotubes de carbone12,13. D’autres études ont souligné la pertinence et les applications des NTC dans les batteries lithium-ion14, les films conducteurs élastiques et transparents15 et les écrans plats16.

Suite à la demande croissante et à l'applicabilité des NTC dans divers domaines technologiques, le développement de processus de fabrication efficaces est essentiel pour transformer les composites en NTC à la taille, à la forme et à la qualité souhaitées. Toute méthode de fabrication sélectionnée pour le traitement des composites CNT doit garantir un minimum de dommages à la structure CNT qui pourraient résulter de la pression, de la chaleur ou d'une réaction chimique avec le matériau de la matrice. Les procédés conventionnels comme l'usinage et le moulage sont associés à certains inconvénients. Étant donné que les NTC ont une résistance et une dureté élevées, les méthodes d'usinage conventionnelles entraîneraient une usure intensive des outils, réduisant ainsi la durée de vie de l'outil et augmentant les coûts de production17. L'alignement des NTC dans les composites moulés est considérablement affecté par le flux de cisaillement dans le processus de moulage, entraînant des modifications indésirables de ses structures et de ses propriétés18.

Les progrès continus dans les performances des lasers au cours des dernières décennies ont amélioré leur capacité dans divers domaines, notamment l'énergie, la biotechnologie, l'électronique et le génie mécanique19. Dans la découpe de composites polymères, les lasers offrent de nombreux avantages, notamment des vitesses de production élevées sans défauts associés à l'usure des outils et aux vibrations20,21. Les lasers sont particulièrement avantageux dans le traitement de matériaux difficiles à usiner22, comme les composites en fibre de carbone et les composites en graphite, en raison de leur fragilité et de leur dureté.