Faire entrer la production de masse du graphène dans une nouvelle ère

La combinaison unique des propriétés du graphène ouvre la voie à une grande variété d'applications, de l'énergie et de l'électronique aux dispositifs biomédicaux et aux avions. Pour répondre à ces demandes croissantes, les chercheurs doivent faire passer la production de graphène à une échelle industrielle.

Traditionnellement, la production de graphène se fait par le biais de méthodologies de traitement de graphite ou de dépôt chimique en phase vapeur (CVD), chacune de ces options offrant des propriétés et une qualité différentes. Bien que le CVD soit une approche évolutive, il ne génère que des monocouches de graphène de haute qualité qui conviennent aux applications dans les semi-conducteurs.

Le Work Package du Graphene Flagship intitulé Production dirigé par le Dr Alex Jouvray d'Aixtron Ltd au Royaume-Uni se concentre sur la production en série de graphène à des fins commerciales. L'idée est de faire passer les processus de fabrication de CVD et de graphène en vrac à l'échelle industrielle de façon rentable tout en maintenant l'uniformité et une qualité élevée. "Notre objectif ultime est d'établir une chaîne d'approvisionnement industrielle en graphène en Europe capable de satisfaire les diverses applications du graphène" explique le Dr Jouvray. Parmi les partenaires du groupe de travail figurent un fabricant d'équipements industriels (Aixtron Ltd) des producteurs commerciaux de graphène (Avanzare Innovacion Tecnologica SL Graphenea SA et Grupo Antolin-Ingenieria SA) et des utilisateurs finaux du graphène comme Airbus Operations SL et Aernnova.

Méthodologies de production

Les méthodes de traitement du graphène telles que l'exfoliation, la sonication et le traitement par plasma cassent le graphite de manière contrôlée, générant des flocons de graphène. La méthode d'exfoliation permet de produire des flocons de graphène de très haute qualité, mais il est difficile de la faire passer à l'échelle industrielle. D'un autre côté, le traitement au plasma et la sonication peuvent produire de très grandes quantités d'oxyde de graphène, des nanoplaquettes d'oxyde de graphène réduit et de graphène, qui servent d'additifs aux plastiques, et peuvent être incorporées dans des polymères renforcés à la fibre de verre ou dans du béton pour leur conférer résistance et conductivité thermique. De plus, ces matériaux apparentés au graphène conviennent aux revêtements et aux applications dans le domaine de l'impression.

Les chercheurs ont développé avec succès une méthodologie pour le dépôt de graphène sur feuille, à grande échelle, parallèlement à une technologie de pavage qui transfère du graphène de haute qualité sur des substrats de grande surface. De plus, Avanzare a fait passer la production de graphène à plusieurs tonnes par an, servant de fournisseur à d'autres partenaires du Graphene Flagship.

De nouveaux produits à base de graphène

Outre les systèmes de production et de dépôt de graphène, des efforts importants ont également été consacrés à la qualification de produits à base de graphène dans un environnement réel. Un certain nombre de produits contenant du graphène ont été mis sur le marché, tels que des raquettes de tennis, les garnitures de pavillon automobile et une vaste gamme de matériaux apparentés au graphène. Le Work Package intitulé Production cible spécifiquement les industries automobile, aérospatiale et optoélectronique.

En ajoutant du graphène dans un composite polymère, les scientifiques ont créé un plastique ignifuge pouvant être utilisé dans les secteurs de l'automobile et du bâtiment. L'incorporation de ces matériaux intelligents aux côtés de systèmes de détection d'incendie efficaces peut sans aucun doute améliorer la sécurité des bâtiments. Dans le même temps, étant donné le problème grandissant des incendies de véhicules routiers, les matériaux ignifugeants contribueront à améliorer la sécurité routière.

Le développement de structures renforcées en graphène pour les applications aérospatiales revêt une importance primordiale. Le graphène confère aux composites des propriétés mécaniques et une conductivité améliorées. Des ingénieurs et des scientifiques d'Airbus, d'Aernnova et du Grupo Antolin ont mis au point un prototype de composant aéronautique utilisant des matériaux composites à base de graphène qui offre une protection contre la foudre pour un faible poids.

Jusqu'à récemment, le graphène était en grande partie confiné à un environnement de recherche. "Dans le Work Package intitulé Production, le développement du graphène est entièrement stimulé par l'industrie. Les producteurs de matériaux et d'équipements doivent donc adhérer à de stricts protocoles de développement et de contrôle de la qualité", note le Dr Jouvray.

Le graphène étant en passe de devenir le matériau du XXIe siècle, l'industrie doit suivre le rythme en termes de processus de production. Le Dr Jouvray pense que le Graphene Flagship va "créer un écosystème pour le graphène et ses produits dérivés, stimulé par l'industrie, et ainsi développer le champ des applications potentielles".

Pour plus d'information voir:
- Projet GRAPHENE
- Graphene Flagship