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Approaching Typical Metallic Conductivities in Polymer Nanocomposites for Lightning Strike Protection

Xavier Cauchy

PhD thesis (2018)

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Cite this document: Cauchy, X. (2018). Approaching Typical Metallic Conductivities in Polymer Nanocomposites for Lightning Strike Protection (PhD thesis, École Polytechnique de Montréal). Retrieved from https://publications.polymtl.ca/3308/
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Abstract

RÉSUMÉ Parmi les objectifs de performance à atteindre lors de la conception d’un nouvel aéronef, la réduction de la masse de l’appareil est au premier rang, ladite masse ayant une influence directe sur les coûts variables de l’opération de l’aéronef. À cette fin, l’industrie a graduellement introduit les matériaux composites dans les composantes structurelles, desquelles le fuselage est peut-être la plus importante. La conversion du fuselage de l’aluminium aux matériaux composites n’est pas sans générer son lot de problèmes satellites. Notamment, la diminution de la conductivité électrique de la surface de l’appareil rend celui-ci vulnérable aux effets néfastes de la foudre. En réaction à cette vulnérabilité, des grillages métalliques continus ont été ajoutés à la surface externe des panneaux composant le fuselage. Cet ajout augmentant considérablement la masse de l’ensemble sans contribuer à la rigidité, une demande pour des solutions alternatives fut créée. L’ajout graduel de charges conductrices à une matrice isolante donne lieu à une augmentation subite de la conductivité du composite et à une transition de l’état isolant à celui de conducteur à une concentration donnée, appelée le seuil de percolation. La recherche sur les composites de nanotubes de carbone a permis de mettre en évidence un seuil de percolation extrêmement bas pour les particules de haut rapport d’aspect. En réaction, de multiples études se sont succédé qui cherchèrent à repousser les limites de la conductivité électrique de tels matériaux. Malheureusement, leur performance est limitée par une importante résistance de contact à l’interface entre les particules au sein du composite. Pour qu’un composite ait une conductivité électrique assez élevée pour canaliser l’énergie de la foudre, les charges utilisées devront être caractérisées simultanément par une faible résistance de contact, par une haute conductivité intrinsèque et par une propension à former un réseau connecté dans la matrice. Une stratégie répondant à ces exigences consiste à forcer la percolation d’un réseau de charges métalliques par leur auto-organisation dans le composite. Dans cette optique, nous avons exploré la combinaison d’une dispersion aqueuse de colloïdes d’époxy et d’un précurseur liquide de l’argent, aussi à base aqueuse.----------ABSTRACT Among all performance targets a new aircraft design seeks to achieve, reduction in weight is of primary importance since it has a direct influence on the energy costs. In pursuing this target, an increasing proportion of composite materials has been introduced into modern aircrafts’ structures. Perhaps the most important structural component, the fuselage has not been spared by change. Every change requires adjustment, and thus the problem of lightning strikes to aircraft has resurfaced as the conductive aluminum skin was replaced by a lower conductivity carbon fiber/polymer composite counterpart. Bonding a continuous metallic mesh to the surface of the skin has solved the problem, only to see the quest for mass minimization resume as this additional metal along with its adhesive and matrix contributes to the weight without benefits on the structural front. A better technology is sought. Upon gradually incorporating conductive fillers in a non-conductive matrix, the material undergoes a sudden change from an insulator to a conductor at a concentration called the percolation threshold which differs for every matrix-filler combination and filler dispersion state. Research on carbon nanotubes composites has highlighted the ability of high aspect ratio fillers to reach percolation at a very low concentration. However, issues with contact resistance between individual particles inhibit the maximum performance such composites can historically reach. If a polymer composite is to fulfill the requirements of lightning strike protection, the filler used should display simultaneously a high conductivity, a low contact resistance and a propensity to form connected networks through the matrix. One strategy to obtain such a combination of properties is to force the percolation of metallic fillers through self-organization upon forming the composite. We explored such an avenue by combining an aqueous colloidal epoxy dispersion with a water-based silver precursor ink. Upon solvent evaporation, elemental silver precipitates preferentially in the continuous aqueous phase, effectively segregating the conductive phase in a connected topology and thus promoting the conductivity of the composite. A very low percolation threshold was achieved, at only 0.27 vol.%, whereas typical silver fillers percolation occurs around 20 vol. %.

Open Access document in PolyPublie
Department: Département de génie mécanique
Dissertation/thesis director: Daniel Therriault and Jolanta-Ewa Klemberg-Sapieha
Date Deposited: 19 Nov 2018 14:09
Last Modified: 27 Jun 2019 16:47
PolyPublie URL: https://publications.polymtl.ca/3308/

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