Propriété mécaniques, electriques, et de détection des composites comportant des renforts hybrids nano/micro nanotube de carbone/microrenforts

par Weikang Li

Thèse de doctorat en Sciences des matériaux

Sous la direction de Jinbo Bai.

Le président du jury était Philippe Poulin.

Le jury était composé de Jinbo Bai, Marco Gigliotti, Said Ahzi, Jacques Cinquin, Philippe Bompard.

Les rapporteurs étaient Marco Gigliotti, Said Ahzi.


  • Résumé

    Hybrides nano /micrométriques de nanotubes de carbone (NTC) greffés sur microparticules d’alumina, microplaques de SiC ou nanoplaquettes de graphène (NPG) ont été utilisés comme renforts multifonctionnelles dans les composites à matrice polymère. Le NTCs utilisés étaient généralement sous forme de six branches symétriques et orthogonales sur microparticules sphériques d'Al2O3, mais d'une ou deux branches alignées verticalement sur les deux côtés de microplaques de SiC et de NPG. L’introduction des structures hybrides dans une matrice époxy permet d’améliorer la dispersion des NTC et l'interaction interfaciale entre les renforts et la matrice. Les propriétés mécaniques des composites ont été fortement améliorées avec une faible concentration de hybrides. La résistance électrique in situ des composites a atteint d’abord à sa valeur maximale et puis diminue avec la présence d'une déformation irréversible. Ce phénomène observé est complètement différent par rapport à ce des composites renforcé par NTC, c’est-à-dire, une augmentation monotone de la résistance jusqu'à leur rupture final. Les propriétés mécaniques et les comportements de self-sensing des composites dependent fortement de l'élancement de NTC de leur organisation et aussi des substrats. L'introduction des hybrides dans les composites renforcés par des fibres longues (verre) a démontré un grand potentiel pour développer des composites multi-échelles. Les études réalisées sur la matrice époxy renforcée par les hybrides bien dispersés avec une faible fraction ont montré des améliorations importantes des propriétés de flexion à 3 points et des propriétés thermo-mécaniques. Les réseaux conducteurs formés par hybrides nano/micrométriques permettent de suivre in situ l'évolution de l’état de dégradation des composites à matrice époxy renforcés par des tissus de verre sous contrainte appliquée.

  • Titre traduit

    The self-sensing, electrical and mechanical properties of the epoxy composites reinforced with carbon nanotubes-micro reinforcement nano/micro hybrids


  • Résumé

    Nano/micro multiscale hybrids with carbon nanotubes (CNTs) grown on the Al2O3 microparticles, SiC microplates or graphene nanoplatelets (GNPs) could serve as multifunctional reinforcements in the composites. The CNTs generally form into symmetric six-orthogonal branches on the spherical Al2O3, but vertically align on the flat surfaces of the SiC and GNP. The introduction of hybrids into the epoxy matrix endows uniform dispersion of CNTs as well as improved interfacial interaction between the reinforcements and matrix. Significantly enhanced mechanical properties of the composites were achieved at low hybrid concentration. The in situ electrical resistance of the composites initially increases to its maximum value and then begins to decrease with the appearance of irreversible deformation, which is different from the pristine CNTs filled composites only with monotonic increase of the resistance until their catastrophic fracture. The mechanical and self-sensing behaviors of the composites are found to be highly dependent on CNT aspect ratio, organization and the substrates. Besides, the introduction of hybrids into the traditional fiber-reinforced composites shows great promise in development of the high-performance multiscale composites. The epoxy matrix is toughed by the well dispersed hybrids at low fraction, resulting in improved flexural and thermomechancial properties. Besides, the conductive networks provided by the hybrids could be utilized as in situ damage sensors to monitor the damage evolution in the glass fabric/epoxy composite laminates under tensile loading.


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