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Composites nano-structurés

publié le , mis à jour le

La densité de défaut élevée des fibres de carbone donne au composite fibre/matrice un comportement de type fragile avec propagation instable de fissure. La matrice, et plus particulièrement l’interface matrice/fibre, joue un rôle clé dans le transfert de chargement mécanique entre 2 fibres. Nous avons développé une méthode basée sur la création, par voie chimique, d’un réseau 3D de nanotubes au sein des mèches de fibres de carbone.

Réseau de NTC (nanotubes de carbone) greffés sur fibres de carbone
2 fibres de carbone greffées avec NTC

Des essais expérimentaux sur mèches imprégnées, dit micro-composite, ont montré une influence du greffage de nanotubes sur la tenue à rupture des éprouvettes. Parallèlement, pour apporter des éléments de réponse au rôle exact des nanotubes dans le renforcement des propriétés mécaniques, nous avons développé des simulations par élément fini de la microstructure fibre/réseau de nanotubes/résine. Le transfert de charge entre une fibre rompue et les fibres voisines, quantifié par la longueur inefficace de la fibre rompue, est nettement amélioré par le réseau de nanotube. Le gain est fonction de la morphologie du réseau de nanotubes.

Modèle éléments finis de simulation du transfert de charge mécanique entre 2 fibres de carbones greffées par un réseau de nanotube de carbone

Gain sur la longueur inefficace transfert de charge mécanique entre 2 fibres de carbones greffées par un réseau de NTC, en fonction du taux de NTC greffé et du diamètre des NTC. Simulation numérique par éléments finis.

Ceci nous a amené avec P. Karamian et A. Campbell du LMNO à nous intéresser aux relations entre la morphologie d’un réseau de nanotubes dispersés dans une matrice polymère et les propriétés élastiques de ce matériau. Les propriétés élastiques sont estimées par une technique d’homogénéisation périodique double-échelle. Le traitement statistique d’un très grand nombre de VER générés de façon aléatoire ou orientée nous permet de mieux cerner le rôle de facteurs morphologiques tels que le taux d’agglomération ou l’orientation spatiale des nanotubes.

Simulation nanotubes et matrice

En parallèle avec J. Chen et B. Ben Doudou, nous étudions par simulation à l’échelle atomique la fonctionnalisation des nanotubes par des groupes chimiques. L’objectif est d’optimiser le greffage des nanotubes sur les fibres en étudiant de façon numérique les différentes liaisons possibles, ce qui permettra à terme de sélectionner les meilleurs groupes de liaison. Ces simulations ont de plus montré que la présence d’un groupe fonctionnel peut modifier de façon drastique la conductivité électrique du NTC.

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