Contrôle de l'alignement des nanotubes de carbone multiparois à l'intérieur d'un polymère et d'un matériau composite multi-échelles à l'aide d'un champ électrique

Les matériaux composites possèdent de très bonnes propriétés mécaniques tout en étant extrêmement légers, ce qui fait d'eux un excellent choix pour remplacer les structures métalliques des aéronefs. Ces matériaux possèdent cependant une conductivité électrique faible comparée aux métaux, limitant leur utilisation pour des applications électriques telles que les systèmes de retour de courant. Les composites à fibres de carbone, par exemple, possèdent une conductivité électrique dans le sens des fibres relativement élevée, mais la résistance entre les plis réduit la conductivité électrique à travers l'épaisseur par un facteur 1000. Cela résulte à une mauvaise diffusion du courant dans l'épaisseur et une génération de chaleur lorsqu'un courant électrique est injecté dans un panneau. Pour cette raison, la conductivité électrique des composites doit être améliorée pour que ces matériaux soient utilisés pour des applications électriques. Ce mémoire présente une méthode pour améliorer la conductivité électrique des composites dans un sens préférentiel, c'est-à-dire perpendiculaire aux plis. Ainsi, des nanotubes de carbones (NTCs) multiparois ont été intégrés à la matrice du composite pour fabriquer des composites multi-échelles. Un champ électrique a été utilisé pour contrôler la distribution des NTCs. Les expériences d'alignement sur l'époxy renforcé à 0.01 % massique ont montré une réduction de la résistivité électrique par quatre ordres de grandeur. Cette baisse de résistivité est associée à la formation d'une microstructure filamentaire allant d'une électrode à l'autre, créant un chemin de conduction préférentiel. Par la suite, le procédé de « hand lay-up » a été modifié afin de permettre l'application d'un champ électrique pendant la fabrication de composites. Ainsi, en appliquant un champ de 60V/mm, il a été possible d'améliorer la conductivité électrique à travers l'épaisseur du matériau par 36 % et 99 % en utilisant une concentration de NTCs de 0.01 % et 0.1 % massique, respectivement. Cette amélioration, plutôt modeste, ne permet pas encore d'atteindre une diffusion du courant suffisante, mais il s'agit d'une méthode potentielle pour y parvenir. Enfin, ce projet montre le potentiel d'utiliser un champ électrique pour aligner des NTCs et ainsi augmenter la conductivité électrique des composites multiéchelles tout en gardant une concentration massique faible de nanoparticules. De plus, cette méthode à l'avantage d'être facilement exploitable avec différents procédés de fabrication des composites couramment utilisés dans l'industrie.

Abstract

Composite materials are lightweight and have very good mechanical properties which make them a good alternative to metallic structures traditionally used in aircraft. However, these materials have a very low electrical conductivity compared to metal which limits their use for electrical application such as current return network. For example, carbon fiber composites have relatively good in-plane conductivity but a resistance between each ply, generated by the epoxy, reduced the conductivity through the thickness of the material by a thousand. The anisotropy results in a poor current diffusion through each layer of the composite and heat generation at surface when an electric current is applied on a composite panel. For this reason, the electrical conductivity of carbon fibers composite must be improved to be used for electrical applications. This thesis shows a new procedure to enhance the electrical conductivity of composite material in a preferential way (i.e., through the thickness). Multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) were added to the epoxy matrix of a composite to create multiscale composite. An electric field was also used to control the global distribution of the NTCs. Alignment results made on a UV epoxy reinforced with 0.01wt.% of MWCNTs showed a decrease of the resistivity by four orders of magnitude. This decrease of resistivity was also associated with formation of a filamentary microstructure that goes from one electrode to the others creating preferential conduction pathways. Afterwards, a hand lay-up process was modified to incorporate electric field alignment during the manufacturing of the composite. An improvement of the conductivity of 36% and 99% were obtained when an electric of 60V/mm were used to align the nanoparticles in multiscale composites containing 0.01wt.% and 0.1wt.% of MWCNTs, respectively. However, these modest improvements were still not enough to reach a complete current diffusion through the thickness but this technique is still a potential way to achieve it. Finally, the project shows the potential of using electric field induced alignment of the MWCNTs to improve the conductivity of multiscale composite. Furthermore, this technique has the advantage to be suitable to other common manufacturing processes using in the industry.