Functional architectured carbon by 3D printing of bio-based resins
Carbones fonctionnels architecturés par impression 3D de résines biosourcées
Résumé
In this thesis, porous carbon architectures obtained by pyrolysis of stereolithography (SLA)-printed biosourced photosensitive resins derived from tannin and organic acrylate binder were prepared to study their properties. The textural and mechanical properties of the porous carbons were adapted by modifying the precursor resin formulations in terms of tannin quantity, acrylate resin binder composition or the type of biosourced precursor used. These different approaches have led to the production of a wide range of carbon structures whose properties can easily be adjusted for environmental or electromagnetic applications. Thus, after physical activation, 3D-printed carbon monoliths applied to heterogeneous catalysis in the liquid phase for water treatment, and in the gas phase for CO2 valorization, have shown promising performances. In addition, thanks to their moderate electrical conductivity, carbons and carbon-dielectric material or carbon-ferromagnetic material composites obtained by SLA are potential alternative to conventional methods to produce broadband absorbers metasurfaces and metamaterials for electromagnetic shielding at high frequencies (between 8 and 40 GHz). Finally, the multiphysics modeling of the two main processes to obtain carbon architecture, printing and then pyrolysis, has also led to a better understanding of the interactions of the physical phenomena involved during these stages. More than a prediction tool, the numerical approach becomes a process and material optimization tool.
Dans cette thèse, des architectures carbonées poreuses, obtenues par pyrolyse de structures imprimées par stéréolithographie (SLA) de résines photosensibles biosourcées dérivées de tanins et de liant organique acrylate, ont été préparées pour en étudier les propriétés. Les propriétés texturales et mécaniques des carbones poreux ont pu être adaptées par la modification des formulations des résines photosensibles précurseurs en termes de quantité de tanins et de formulation de la résine acrylate liante, ou encore par le type de précurseurs biosourcés utilisé. Ces différentes approches ont permis d'obtenir une large gamme de structures carbonées aux propriétés facilement ajustables pour des applications environnementales ou électromagnétiques. Ainsi, après activation physique, les carbones structurés par SLA appliqués à la catalyse hétérogène en phase liquide pour l'épuration de l'eau, et en phase gaz pour la valorisation du CO2, ont montré des performances prometteuses. De même, grâce à leur conductivité électrique modérée, les carbones et composites carbone-matériau diélectrique ou carbone-matériau ferromagnétique obtenus par SLA se positionnent comme une possible alternative aux méthodes conventionnelles d'élaboration de métasurfaces et métamatériaux absorbeurs à large bande pour le blindage électromagnétique à hautes fréquences (entre 8 et 40 GHz). Enfin, la modélisation multiphysique des deux procédés clés pour l'obtention des architectures carbonées, impression puis pyrolyse, a également permis de mieux comprendre les interactions des phénomènes physiques mis en jeu lors de ces étapes. Plus qu'un outil de prédiction, l'approche numérique est devenue un outil d'optimisation du procédé et des matériaux.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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