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

RESUME Les materiaux composites possedent de tres bonnes proprietes mecaniques tout en etant extremement legers, ce qui fait d’eux un excellent choix pour remplacer les structures metalliques des aeronefs. Ces materiaux possedent cependant une conductivite electrique faible comparee aux metaux, limitant leur utilisation pour des applications electriques telles que les systemes de retour de courant. Les composites a fibres de carbone, par exemple, possedent une conductivite electrique dans le sens des fibres relativement elevee, mais la resistance entre les plis reduit la conductivite electrique a travers l’epaisseur par un facteur 1000. Cela resulte a une mauvaise diffusion du courant dans l’epaisseur et une generation de chaleur lorsqu’un courant electrique est injecte dans un panneau. Pour cette raison, la conductivite electrique des composites doit etre amelioree pour que ces materiaux soient utilises pour des applications electriques. Ce memoire presente une methode pour ameliorer la conductivite electrique des composites dans un sens preferentiel, c’est-a-dire perpendiculaire aux plis. Ainsi, des nanotubes de carbones (NTCs) multiparois ont ete integres a la matrice du composite pour fabriquer des composites multi-echelles. Un champ electrique a ete utilise pour controler la distribution des NTCs. Les experiences d’alignement sur l’epoxy renforce a 0.01 % massique ont montre une reduction de la resistivite electrique par quatre ordres de grandeur. Cette baisse de resistivite est associee a la formation d’une microstructure filamentaire allant d’une electrode a l’autre, creant un chemin de conduction preferentiel. Par la suite, le procede de « hand lay-up » a ete modifie afin de permettre l’application d’un champ electrique pendant la fabrication de composites. Ainsi, en appliquant un champ de 60V/mm, il a ete possible d’ameliorer la conductivite electrique a travers l’epaisseur du materiau par 36 % et 99 % en utilisant une concentration de NTCs de 0.01 % et 0.1 % massique, respectivement. Cette amelioration, plutot modeste, ne permet pas encore d’atteindre une diffusion du courant suffisante, mais il s’agit d'une methode potentielle pour y parvenir. Enfin, ce projet montre le potentiel d’utiliser un champ electrique pour aligner des NTCs et ainsi augmenter la conductivite electrique des composites multiechelles tout en gardant une concentration massique faible de nanoparticules. De plus, cette methode a l’avantage d’etre facilement exploitable avec differents procedes de fabrication des composites couramment utilises 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.