FR3057873A1 - Materiau composite electriquement et thermiquement conducteur - Google Patents

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Abstract

Matériau composite (1) électriquement et thermiquement conducteur comprenant et, de préférence, constitué par un polymère (2) dans lequel sont dispersés des éléments conducteurs électriques (3) formant un réseau et des particules lamellaires thermiquement conductrices (4).

Description

DESCRIPTION
DOMAINE TECHNIQUE ET ETAT DE LA TECHNIQUE ANTERIEURE
La présente invention concerne un matériau composite électriquement et thermiquement conducteur.
Les matériaux composites sont formés d'au moins deux éléments non miscibles dont les propriétés se complètent. Par exemple, les polymères dans lesquels sont incorporés des charges métalliques sont des matériaux composites. Ces matériaux sont particulièrement intéressants puisqu'ils peuvent être facilement mis en forme, grâce à la présence polymère, et parce que les charges métalliques permettent de modifier les propriétés, par exemple, mécaniques, thermiques, catalytiques ou électriques du polymère. Plus particulièrement, pour la réalisation d'éléments chauffants, il est intéressant de réaliser des matériaux composites ayant à la fois des propriétés de conductivité thermique et de conductivité électrique.
Comme décrit dans la publication de Rivière et al. (« Silver fil le rs aspect ratio influence on electrical and thermal conductivity in PEEK/Ag nanocomposites », European Polymer Journal, 2016, 85, 115-125), en incorporant suffisamment de nanofils métalliques dans un polymère, il est possible d'obtenir un matériau composite électriquement et thermiquement conducteur. Cependant, lorsque l'on augmente trop la quantité de nanofils dans le polymère, on observe une agrégation des nanofils, ce qui peut, non seulement, réduire les propriétés thermiques et électriques du matériau, mais aussi modifier les propriétés mécaniques du matériau. De plus, lors de l'élaboration du matériau, la viscosité du mélange polymère/nanofils augmente, ce qui rend plus difficile sa mise en forme.
Il est connu que des nanocharges peuvent être ajoutées pour améliorer la dispersibilité des nanofils. A titre d'exemple, on peut citer l'article de Wei et al. (« Hybrids of silver nanowires and silica nanoparticles as morphology controlled conductive filler applied in flexible conductive nanocomposites », Composites : Part A
2015, 73, 195-203) qui montre que l'utilisation de nanoparticules de silice de 20-60nm améliore la répartition des nanofils au sein du polymère et empêche leur agrégation. Ces charges ont uniquement un rôle dispersant. Elles n'ont pas de propriétés thermique ou électrique. La résistivité du matériau composite a été mesurée pour différents rapports massiques nanofils : nanoparticules. Les meilleurs résultats ont été obtenus pour un rapport de 4 :1. Lorsque la quantité de nanoparticules est supérieure ou inférieure, la résistivité augmente. Cependant, ce rapport massique doit dépendre des caractéristiques du matériau composite telles que la nature du polymère, les dimensions des nanofils et la taille des nanoparticules. Il faut donc trouver pour chaque matériau composite, le rapport massique optimal, en réalisant de nombreux essais.
EXPOSÉ DE L'INVENTION
C'est, par conséquent, un but de la présente invention de proposer matériau composite ayant de bonnes propriétés à la fois de conductivité thermique et conductivité électrique, facile à mettre en œuvre, dont les charges électriques et thermiques sont bien dispersées au sein du matériau et ne nécessitant pas de nombreux essais pour obtenir les propriétés recherchées.
Ce but est atteint par matériau composite électriquement et thermiquement conducteur comprenant et, de préférence, constitué par un polymère dans lequel sont dispersés des éléments conducteurs électriques formant un réseau et des particules lamellaires thermiquement conductrices.
Par électriquement conducteur, on entend une résistivité électrique inférieure à 101:Lohm/cm et, de préférence, inférieure à 108 ohm/cm.
Par thermiquement conducteur, on entend une conductivité thermique supérieure à 80 W/m.K.
Par particule lamellaire, on entend des particules dont l'une des dimensions est très inférieure aux deux autres. De telles particules lamellaires comportent le plus souvent une épaisseur e bien inférieure à leur longueur L ou largeur I. De préférence, le rapport e/L et e/l est inférieur ou égal à 0,5 et de préférence inférieur ou égal à 0,1.
Le polymère forme la matrice du matériau composite et assure la cohésion du matériau composite.
Les éléments conducteurs électriques sont dispersés de manière homogène dans le polymère grâce à la présence des particules lamellaires, qui sont également dispersées de manière homogène dans le polymère. Ces particules permettent non seulement d'améliorer la conductivité thermique du matériau composite, mais ont également le rôle d'agent dispersant vis-à-vis des éléments électriquement conducteurs. Elles améliorent également la résistance mécanique du matériau composite. Le matériau composite peut ainsi être dépourvu de particules de silice.
Ces matériaux composites présentent de bonnes conductivités thermique et électrique. Tous les éléments dispersés participent aux propriétés électriques ou thermiques du matériau composite.
Avantageusement, les particules lamellaires sont en nitrure de bore, de préférence en nitrure de bore hexagonal.
Le nitrure de bore est électriquement isolant. Par électriquement isolant, on entend une résistivité électrique intrinsèque supérieure à 1012 ohm.cm.
Avantageusement, les particules lamellaires thermiquement conductrices sont sous la forme d'un feuillet, ou empilement, comprenant de une à cinq épaisseurs atomiques, de préférence une épaisseur, qui peuvent s'empiler les unes sur les autres, et dont les atomes, de chaque lamelle, sont disposés en nids d'abeilles. Cette forme est très stable et présente de bonnes propriétés de conductivité thermique.
Avantageusement, les particules lamellaires thermiquement conductrices sont fonctionnalisées par des groupements amine, hydroxyle ou alcoxyde. Il est ainsi facile de les disperser en solution aqueuse, lors du procédé d'élaboration, et le matériau composite obtenu est plus homogène.
Avantageusement, le pourcentage massique de de particules lamellaires thermiquement conductrices dans le matériau composite est inférieur à 1%, de préférence inférieur à 0,1% et encore plus préférentiellement inférieur à 0,01%. De tels pourcentages permettent d'obtenir un matériau avec une bonne conductivité thermique, des éléments conducteurs électriques bien dispersés tout en limitant le coût des réactifs.
Les éléments conducteurs électriques forment un réseau percolant conducteur électrique. Par réseau percolant, on entend que les éléments forment un chemin continu tout au long du matériau composite de manière à pouvoir conduire électriquement les charges d'un bout à l'autre du matériau composite.
Avantageusement, les éléments conducteurs électriques sont submillimétriques, c'est-à-dire inférieure au millimètre. La longueur des éléments conducteurs électriques va, par exemple, de lpm à 500pm.
Avantageusement, les éléments conducteurs électriques ont un facteur de forme supérieur à 10, et de préférence supérieur à 30. Le facteur de forme correspond au rapport dimension la plus grande/dimension la plus petite, par exemple longueur/épaisseur dans le cas d'un élément de forme plane ou longueur/diamètre dans le cas d'un élément de forme cylindrique. Avec de tels facteurs de forme, les éléments conducteurs électriques ont une forme unidimensionnelle.
Avantageusement, les éléments conducteurs électriques sont des nanofils métalliques. Par « nanofils métalliques », on entend que les éléments conducteurs électriques comprennent au moins 90% de nanofils métalliques. II peut contenir jusqu'à 10% massique d'éléments additionnels. Les éléments additionnels sont électriquement conducteurs. Par exemple, le réseau peut comprendre, en plus des nanofils métalliques, des nanotubes de carbone.
Les nanofils sont des nanofils d'un métal ou d'un alliage de métaux. Préférentiellement, les nanofils sont des nanofils d'argent, d'or, de cuivre ou de nickel.
Par nanofils d'argent, par exemple, on entend que plus de 80% des nanofils sont des nanofils d'argent, et de préférence au moins 90% des nanofils sont des nanofils d'argent. Par exemple, pour les nanofils dits « d'argent », 90% des nanofils sont des nanofils d'argent, et 10% de nanofils sont des nanofils d'un autre métal, comme le cuivre.
Avantageusement, les nanofils ont un diamètre allant de 5nm à 500nm, de préférence de lOnm à 500nm, et encore plus préférentiellement, de 20nm à 400nm.
Avantageusement, le pourcentage massique d'éléments conducteurs électriques dans le matériau composite va de 0,01% à 20%, de préférence de 0,1% à 15%, et encore plus préférentiellement 1% à 10%. De tels pourcentages permettent d'obtenir un matériau avec une bonne conductivité électrique tout en limitant le coût des réactifs.
L'invention concerne également un élément chauffant comprenant un matériau composite tel que défini précédemment, et deux électrodes disposées en contact avec le matériau composite et étant positionnées de manière à permettre le passage d'une tension d'un bout à l'autre du matériau composite.
L'invention concerne également l'utilisation d'un élément chauffant tel que défini précédemment, dans laquelle une tension est appliquée entre les électrodes de manière à faire passer un courant dans le matériau composite et à engendrer une augmentation de la température du matériau composite par effet Joule.
L'invention concerne également un procédé de préparation d'un matériau composite, tel que défini précédemment, comprenant au moins les étapes successives suivantes :
a) formation d'un mélange contenant des éléments conducteurs électriques, et des particules lamellaires thermiquement conductrices,
b) ajout d'un polymère ou d'un précurseur de polymère dans le mélange,
c) mise en forme du mélange,
d) éventuellement polymérisation du précurseur de polymère.
Lors du procédé, les particules lamellaires thermiquement conductrices limitent la sédimentation des éléments conducteurs électriques dans le polymère, ce qui conduit à une meilleure dispersion dans la masse de polymère de ces nano-objets, en particulier ceux qui sont unidimensionnels (facteur de forme supérieur à 10).
Avantageusement, le mélange comporte un solvant tel que l'eau, le solvant étant évaporé après la mise en forme du mélange. II y a moins de déchets à traiter à la fin du procédé. L'étape d) peut être réalisée à une température inférieure ou égale à 30°C, ce qui facilite la mise en oeuvre du procédé et autorise la formation du matériau composite sur des substrats plastiques ou polymères.
Selon une variante, l'étape c) est réalisée en faisant fondre le polymère ou le précurseur de polymère.
Avantageusement, les particules lamellaires thermiquement conductrices sont en nitrure de bore, de préférence en nitrure de bore hexagonal.
BRÈVE DESCRIPTION DES DESSINS
La présente invention sera mieux comprise sur la base de la description qui va suivre et des dessins en annexe sur lesquels:
- la figure 1 est une vue, en coupe et de profil, d'un matériau composite comprenant une couche en polymère dans laquelle sont dispersés des éléments électriquement conducteurs et des particules lamellaires thermiquement conductrices, selon un premier mode de réalisation de l'invention,
- la figure 2 est une vue, en coupe et de profil, d'un matériau composite comprenant une couche en polymère dans laquelle sont dispersés des éléments électriquement conducteurs et des particules lamellaires thermiquement conductrices, selon un deuxième mode de réalisation de l'invention,
- la figure 3 est une vue, en coupe et de profil, d'un matériau composite sur un substrat, selon un troisième mode de réalisation de l'invention,
- la figure 4 est une vue, en coupe et de profil, d'un matériau composite sur un substrat, selon un quatrième mode de réalisation de l'invention.
Les différentes parties représentées sur les figures ne le sont pas nécessairement selon une échelle uniforme, pour rendre les figures plus lisibles.
Les différentes possibilités (variantes et modes de réalisation) doivent être comprises comme n'étant pas exclusives les unes des autres et pouvant se combiner entre elles.
EXPOSÉ DÉTAILLÉ DE MODES DE RÉALISATION PARTICULIERS
On se réfère aux figures 1 et 2 qui représentent un matériau composite 1 selon l'invention.
Le matériau composite 1 est par exemple sous la forme d'une couche ayant une épaisseur allant de 5μιτι à 1cm, de préférence de 50μιτι à 1cm, encore plus préférentiellement de 50μιτι à 1mm, et, encore plus préférentiellement, de ΙΟΟμιτι à 500μιτι.
Le matériau composite 1 comprend une matrice en polymère 2. Par « polymère », on entend aussi bien un homopolymère qu'un copolymère.
Le polymère est, de préférence, non électriquement conducteur, c'està-dire ayant une résistivité supérieure à 1011 ohm/cm.
A titre illustratif et non limitatif, le polymère peut être le chitosan, une cellulose ou un de ses dérivés, un polysiloxane, un polyépoxyde, un polyacrylique, un polystyrène, un polyamide, un polyaryléthercétone, ou un polyuréthane. La couche en polymère protège les éléments conducteurs électriques et thermiques de l'atmosphère, et plus particulièrement des risques de dégradation chimique, par exemple des réactions d'oxydation ou de sulfuration.
Les éléments conducteurs électriques 3 forment un réseau percolant électrique, dans la couche en polymère 2.
Le taux de charge (le pourcentage massique des éléments électriquement conducteurs 3 dans le matériau composite 1) est variable et ajustable suivant les propriétés électriques recherchées. Le taux de charge est adapté pour obtenir un matériau composite dont la conductivité peut être modérée (typiquement avec une résistivité volumique de 104 à 1011 ohm.cm), adaptée à la dissipation électrique des charges pour des applications anti-statisme par exemple. La conductivité recherchée peut également être élevée (résistivité volumique inférieure à 104 ohm.cm) si l'on souhaite faire passer un courant utile générant une montée en température du matériau composite.
Les éléments conducteurs électriques 3 ont, par exemple, une taille submillimétrique, c'est-à-dire inférieure au millimètre, par exemple de lOnm à 900μιτι. On comprendra que c'est la dimension la plus grande des éléments conducteurs électriques 3 qui est submillimétrique.
Les éléments conducteurs électriques 3 sont de préférence unidimensionnels : ils présentent un facteur de forme (longueur/diamètre ou longueur/épaisseur) supérieur à 10, de préférence supérieur à 30.
Ces éléments 3 sont essentiellement métalliques, c'est-à-dire qu'au moins 90% massique des éléments sont métalliques. Le réseau peut comprendre, en outre, des nanotubes de carbone et/ou du graphène pour améliorer la conductivité électrique du réseau.
Les éléments 3 sont, par exemple, des nanofils. Les nanofils sont, de manière générale, des structures présentant un diamètre de quelques nanomètres à quelques dizaines de nanomètres, voire quelques centaines de nanomètres, et une longueur de quelques micromètres à quelques centaines de micromètres.
Le diamètre des nanofils va de 5nm à 500nm, de préférence de lOnm à 500nm, et encore plus préférentiellement, de 20nm à 400nm.
La longueur moyenne des nanofils va, avantageusement, de lpm à 500pm, de préférence de 2pm à 25pm.
Les nanofils sont de préférence, en argent, en cuivre, en or, ou en nickel, seuls ou en mélange.
Les éléments conducteurs électriques forment un réseau percolant en trois dimensions, c'est-à-dire que les éléments conducteurs électriques sont agencés de telle sorte qu'ils permettent le transport d'électrons. Le réseau tridimensionnel forme des trous. Les trous du réseau des éléments conducteurs électriques peuvent être remplis par le matériau polymère et/ou par les particules lamellaires thermiquement conductrices.
Le pourcentage massique d'éléments conducteurs électriques 3 dans le matériau composite va de 0,01% à 20%, par exemple de 0,01% à 10%, de préférence de 0,1% à 15%, et encore plus préférentiellement 1 à 10%. Avec de tels pourcentages, le réseau peut être semi-transparent. Par semi-transparent, on entend que le réseau a une transmittance supérieure à 50% dans le domaine visible, i.e. de 350nm à 750nm, et de préférence supérieure à 70% dans le domaine visible. Ceci est particulièrement avantageux si l'on souhaite utiliser le matériau composite pour réaliser un élément chauffant, destiné à être positionné, sur une vitre, un verre de lunettes, par exemple, ou encore sur un pare-brise pour désembuer ou dégivrer. Pour de telles applications, le matériau composite a, avantageusement, une épaisseur inférieure à lOpm.
Le réseau d'éléments conducteurs électriques est disposé au sein du matériau composite 1. La cohésion mécanique du réseau est assurée par le polymère 2. Les particules lamellaires sont également disposées au sein du matériau composite 1.
Les particules lamellaires 4, en plus d'améliorer la conductivité thermique du matériau 1, favorisent la dispersion des éléments électriquement conducteurs 3, tels que les nanofils, dans la matrice en polymère 2.
Les particules lamellaires 4 sont électriquement isolantes. Elles ont une résistivité électrique supérieure à 101:Lohm/cm.
Les particules lamellaires sont, de préférence, en nitrure de bore, et encore plus préférentiellement en nitrure de bore hexagonal.
Les particules lamellaires 4 peuvent, par exemple, être exfoliées. Par exfolié, on entend que l'on retire des lamelles ou feuilles de l'empilement formant les particules lamellaires 4 de manière à obtenir des particules lamellaires formées d'une ou de quelques feuilles (2, 3, 4 ou 5 par exemple).
Les particules lamellaires 4 peuvent être utilisées tel quel, ou être fonctionnalisées. Par exemple, on peut les fonctionnaliser avec des groupements amines, hydroxyles ou alcoxydes. De tels groupements permettent de rendre les particules lamellaires 4 solubles dans l'eau ou dans un alcool, par exemple.
Le matériau composite 1 peut être utilisé pour réaliser des éléments fonctionnels. Il peut être utilisé de manière passive, pour la dispersion de charge ou la diffusion thermique, ou de manière active pour la réalisation d'éléments chauffants.
Un élément chauffant comprend, par exemple, un matériau composite 1 tel que défini précédemment, et deux électrodes 5 disposées en contact avec la couche en polymère 2 et positionnées de manière à permettre le passage d'une tension d'un bout à l'autre de la couche en polymère 2.
L'élément chauffant peut être déposé, formé sur un substrat 6 en verre ou plastique, flexible ou rigide. Les électrodes 5 pourront être disposées entre le matériau composite 1 et le substrat 6 (figure 3) ou au-dessus du matériau composite 1 (figure 4), c'est-à-dire, que le matériau composite 1 est entre le substrat 6 et les électrodes 5.
Les deux électrodes 5 servent à alimenter le matériau composite 1 grâce à un générateur externe. Les électrodes 5 sont des électrodes de reprise de contact. Elles peuvent être réalisées, par exemple, à partir d'un dépôt métallique. Elles peuvent, par exemple, être élaborées à partir d'un vernis, d'une encre ou d'une laque conductrice (de préférence à base d'argent ou de cuivre) et/ou de fils/films métalliques, de matériaux carbonés (nanotubes de carbone ou graphène par exemple), et/ou de polymères conducteurs.
Ces reprises de contact peuvent être réalisées selon des techniques usuelles, par exemple par dépôt chimique en phase vapeur (CVD pour « Chemical Vapour Déposition » en langue anglaise) ou par dépôt physique en phase vapeur (PVD pour « Physical Vapour Déposition » en langue anglaise). Les reprises de contact peuvent être réalisées préalablement ou ultérieurement à la formation du matériau composite 1 sur le substrat 6 selon l'invention.
L'élément chauffant est utilisé en appliquant une tension entre les électrodes 5 de manière à faire passer un courant dans le matériau composite 1 et à engendrer une augmentation de la température du matériau composite 1 par effet Joule.
Un procédé de préparation du matériau composite va maintenant être décrit. Le procédé comprend les étapes successives suivantes :
a) formation d'un mélange contenant des éléments conducteurs électriques 3, et des particules lamellaires thermiquement conductrices 4,
b) ajout d'un polymère 2 ou d'un précurseur de polymère dans le mélange,
c) mise en forme du mélange,
d) éventuellement polymérisation du précurseur de polymère.
Par précurseur du polymère, on entend des monomères et/ou des oligomères et/ou des pré-polymères menant à la formation du polymère. Le précurseur du polymère est associé à un initiateur de polymérisation. L'initiateur de polymérisation est, par exemple, un photoinitiateur ou un amorceur radicalaire. Après la mise en forme, le précurseur est polymérisé de manière à obtenir le polymère.
Selon un mode de réalisation, le mélange comporte un solvant tel que l'eau. Il y a moins de déchets à traiter à la fin du procédé.
Le mélange est sous la forme d'une solution. Le solvant est évaporé après la mise en forme du mélange. La solution peut être mise en forme en la déposant sur un substrat. La solution peut être déposée par une technique de dépôt sans contact. Il peut s'agir, par exemple, d'une technique d'enduction, telle que l'enduction en rideau (« curtain coating » ou « flow-coating ») ou l'enducation centrifuge (« spin-coating ») ou encore par trempage-retrait (« dip-coating »).
Le solvant est évaporé progressivement jusqu'à obtenir un matériau composite solidifié. L'évaporation peut durer de 5 minutes à 10 heures, par exemple de lh à 5h. L'évaporation peut avoir lieu à une température inférieure à 80°C, par exemple de 25°C à 40°C par exemple. On choisira par exemple une température de 30°C.
L'étape d) peut être réalisée à une température inférieure ou égale à 30°C, ce qui facilite la mise en œuvre du procédé et autorise la formation du matériau composite sur des substrats plastiques ou polymères.
Le procédé est réalisé à pression ambiante (lbar).
Le procédé est, avantageusement, réalisé sous air, il n'y a pas besoin de travailler sous atmosphère contrôlée.
Selon une variante, l'étape c) est réalisée en faisant fondre le polymère ou le précurseur de polymère. Il est possible de mettre en forme le polymère par toute technique de plasturgie classique.
Avantageusement, les particules lamellaires thermiquement conductrices 4 sont en nitrure de bore, de préférence en nitrure de bore hexagonal.
Les particules lamellaires thermiquement conductrices 4 fournies à l'étape a), peuvent être sous une forme exfoliée. La forme exfoliée peut être obtenue par différentes façons, par exemple, par fonctionnalisation chimique ou encore par broyage mécanique, par exemple, avec un broyeur à boulet (« bail milling »).
Les particules lamellaires thermiquement conductrices 4 peuvent être fonctionnalisées.
La fonctionnalisation du nitrure de bore peut être par exemple une des fonctionnalisations décrites dans l'article de Weng et al. (« Functionalized hexagonal boron nitride nanomaterials: emerging properties and applications », Chem. Soc. Rev., 2016,45, 3989-4012). Par exemple, on peut fonctionnaliser les particules avec des groupements amines, hydroxyles ou alcoxydes. De tels groupements permettent de rendre le nitrure de bore soluble dans l'eau. Ceci est d'une grande utilité pour la préparation de composites en phase aqueuse. De préférence, le nitrure de bore est exfolié et fonctionnalisé en présence d'urée selon la méthode décrite dans l'article de Lei et al. (« Boron nitride colloïdal solutions, ultralight aerogels and freestanding membranes through one-step exfoliation and functionalization », 2015, DOI: 10.1038/ncomms9849).
Préférentiellement, les éléments électriquement conducteurs 3 sont des nanofils métalliques. Ils représentent de 0,01% à 50% massique de la solution, plus préférentiellement, ils représentent de 0,1% à 20% massique et, encore plus préférentiellement, de 0,5% à 10% massique de la solution. La solution est, avantageusement, homogène, les nanofils sont bien dispersés dans le solvant, ce qui garantit la qualité du réseau percolant formé après évaporation du solvant.
Les nanofils d'argent sont, par exemple, préparés selon le mode opératoire décrit dans le document FR-A-3021230.
Une fois le matériau composite 1 obtenu, la surface du matériau composite 1 peut être traitée, par exemple, fonctionnalisée, de manière à être hydrophile ou hydrophobe.
EXEMPLE ILLUSTRATIF ET NON LIMITATIF D'UN MODE DE REALISATION
Echantillon 1 comparatif - dépourvu de nitrure de bore :
Dans un premier temps des nanofils d'argent sont préparés selon le mode opératoire décrit dans le document FR-A-3021230. Ils sont ensuite dispersés en solution aqueuse à une concentration massique de 400 mg/L.
Un polyuréthane est ensuite ajouté à la solution. Le polyuréthane est dispersé dans la solution aqueuse. Le polyuréthane hydrodispersé représente 30% massique de la matière sèche. La concentration massique en argent est de 2% par rapport à la matière sèche.
La solution est déposée dans un moule. La solution est laissée sous évaporation lente à 30° pendant 4h jusqu'à obtention d'un matériau composite solidifié. Un recuit est ensuite réalisé à 80°C pendant 30 min.
L'épaisseur du matériau composite obtenue est de 150pm.
La sédimentation des nanofils est visible à l'œil nu : la zone supérieure du matériau est plus claire car moins chargée en nanofils.
Echantillon 2 obtenu selon un mode de réalisation de l’invention :
Dans un premier temps des nanofils d'argent sont préparés selon le mode opératoire décrit dans le document FR-A-3021230. Ils sont ensuite dispersés en solution aqueuse à une concentration massique de 400 mg/L.
Du nitrure de bore hexagonal, commercialisé par la société Momentive Performance Materials Inc., est exfolié et fonctionnalisé en présence d'urée selon la méthode décrite dans l'article de Lei et al. (« Boron nitride colloïdal solutions, ultralight aerogels and freestanding membranes through one-step exfoliation and functionalization », 2015, DOI: 10.1038/ncomms9849). Une solution aqueuse de 5mg/mL de nitrure de bore hexagonale hBN est obtenue.
Environ 10 mL de la solution aqueuse de hBN sont versés dans IL de la solution aqueuse de nanofils d'argent.
Un polyuréthane est ensuite ajouté à la solution. Le polyuréthane est dispersé dans la solution aqueuse. La matière sèche représente 30% du polyuréthane hydrodispersé. La concentration massique en argent est de 2% par rapport à la matière sèche.
La solution est déposée dans un moule. La solution est laissée sous évaporation lente à 30° pendant 4h jusqu'à obtention d'un matériau composite solidifié. Un recuit est ensuite réalisé à 80°C pendant 30 min.
L'épaisseur du matériau composite obtenue est de 140pm.
Le matériau composite 1 obtenu est d'une couleur gris très clair homogène.
Comparaison des échantillons 1 et 2 :
La résistance carrée sur la face supérieure des échantillons a été mesurée en quatre endroits par un résistivimètre 4 pointes (de marque Loresta). La moyenne des 4 mesures a été calculée.
Des reprises de contact linéaires (électrodes 5) sont réalisées sur la face 10 supérieure du matériau composite par dépôt au pinceau d'une laque argent. Sur la bande en laque argent, un fil en cuivre, relié à un générateur basse tension, est déposé. La distance entre les deux électrodes 5 est de 3 cm. On applique une tension de 10V durant min. La température de la salle où la mesure a été réalisée est de 20°C.
Résistivité moyenne Accroissement de température
Echantillon 1 10 000 ohm/carré 0
Echantillon 2 158 ± 18 ohm/carré 4°C

Claims (16)

  1. REVENDICATIONS
    1. Matériau composite (1) électriquement et thermiquement conducteur comprenant et, de préférence, constitué par un polymère (2) dans lequel sont dispersés des éléments conducteurs électriques (3) formant un réseau et des particules lamellaires thermiquement conductrices (4).
  2. 2. Matériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que les particules lamellaires sont en nitrure de bore, de préférence en nitrure de bore hexagonal.
  3. 3. Matériau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les particules lamellaires thermiquement conductrices (4) sont sous la forme d'un feuillet comprenant de une à cinq épaisseurs atomiques, de préférence une épaisseur.
  4. 4. Matériau selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que les particules lamellaires thermiquement conductrices (4) sont fonctionnalisées par des groupements amine, hydroxyle ou alcoxyde.
  5. 5. Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le pourcentage massique de particules lamellaires thermiquement conductrices (4) dans le matériau composite est inférieur à 1%, de préférence inférieur à 0,1% et encore plus préférentiellement inférieur à 0,01%.
  6. 6. Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments conducteurs électriques (3) sont submillimétriques.
  7. 7. Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments conducteurs électriques (3) ont un facteur de forme supérieur à 10, et de préférence supérieur à 30.
  8. 8. Matériau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les éléments conducteurs électriques (3) sont des nanofils métalliques, de préférence des nanofils d'argent, d'or, de cuivre ou de nickel.
  9. 9. Matériau selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les nanofils ont un diamètre allant de 5nm à 500nm, de préférence de lOnm à 500nm, et encore plus préférentiellement, de 20nm à 400nm.
  10. 10. Matériau selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le pourcentage massique d'éléments conducteurs électriques (3) dans le matériau composite va de 0,01% à 20%, de préférence de 0,1% à 15%, et encore plus préférentiellement 1% à 10%.
  11. 11. Elément chauffant comprenant un matériau composite (1) tel que défini dans l'une quelconque des revendications précédentes, et deux électrodes (4) disposées en contact avec le matériau composite (1) et étant positionnées de manière à permettre le passage d'une tension d'un bout à l'autre du matériau composite (1).
  12. 12. Utilisation d'un élément chauffant tel que défini dans la revendication précédente, dans laquelle une tension est appliquée entre les électrodes (4) de manière à faire passer un courant dans le matériau composite (1) et à engendrer une augmentation de la température du matériau composite (1) par effet Joule.
  13. 13. Procédé de préparation d'un matériau composite, tel que défini l'une quelconque des revendications 1 à 10, comprenant au moins les étapes successives suivantes :
    a) formation d'un mélange contenant des éléments conducteurs électriques (3), et des particules lamellaires thermiquement conductrices (4),
    b) ajout d'un polymère ou d'un précurseur de polymère dans le mélange,
    5 c) mise en forme du mélange,
    d) éventuellement polymérisation du précurseur de polymère.
  14. 14. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que le mélange comporte un solvant tel que l'eau, le solvant étant évaporé après la mise en
    10 forme du mélange.
  15. 15. Procédé selon la revendication 13, caractérisé en ce que l'étape c) est réalisée en faisant fondre le polymère ou le précurseur de polymère.
    15
  16. 16. Procédé selon l'une des revendications 13 à 15, caractérisé en ce que les particules lamellaires thermiquement conductrices (4) sont en nitrure de bore.
    S.62500
    1/1
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