Contribution à la simulation et à l'expérimentation des nanotubes de carbone avec prise en compte d'incertitudes

par Xingling Tang

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Abdelkhalak El Hami.

Soutenue le 24-03-2015

à Rouen, INSA , dans le cadre de École doctorale Sciences physiques mathématiques et de l'Information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; ....-2016) , en partenariat avec Laboratoire de Mécanique de Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 2017-....) (laboratoire) et de Laboratoire d'Optimisation et Fiabilité en Mécanique des Structures / LOFIMS (laboratoire) .


  • Résumé

    En raison des propriétés physiques, électriques, mécaniques et chimiques exceptionnelles, les nanotubes de carbone(CNTs) sont considérés comme l'un des nanomatériaux les plus importants aujourd'hui. CNTs peuvent être classées comme des nanotubes de carbone à paroi simple (SWCNTs) ou des nanotubes de carbone à parois multiples (MWCNTs). La structure d'un SWCNT peut être vue comme une couche d’un atome de graphite de cylindres laminés. Les propriétés des SWCNTs sont fondamentales pour la recherche et pour de nombreuses applications en médecine, en électronique, en environnement, pollution... Le but de cette thèse est d'étudier les propriétés mécaniques et électromécaniques des matériaux SWCNTs avec différentes morphologies. Nous avons étudié les propriétés élastiques des SWCNTs individuels en utilisant la méthode des éléments finis (FE). Nous avons montré que les modules élastiques de SWCNTs dépendent du diamètre, chiralité et la longueur. Les modules élastiques augmentent significativement selon les plus petites valeurs du rayon. Lorsque le rayon devient plus grand, tous les modules élastiques convergent vers une valeur constante asymptotique. En outre, les modules de zigzag et SWCNT chirales sont plus sensibles à la variation du rayon par rapport à SWCNT fauteuil. Nous avons testé le module élastique de SWCNT film mince par nanoindentation. Nous avons trouvé que le module d'Young E et la dureté H de SWCNT film mince sont séparément E= 192.831± 13.922 GPa, H=12.57719 ± 0.759 GPa. Nous avons élaboré un modèle par éléments finis qui représente le comportement des SWCNT film mince dans le processus de nanoindentation. Dans cette étude nous avons élaboré un modèle élasto-plastique pour décrire le comportement mécanique du matériau au cours de l'indentation. Ensuite, nous avons évalué les propriétés élasto-plastiques de SWCNT film mince par l’interaction de la simulation par éléments finis avec les données statistiques du test expérimental. Le modèle bilinéaire proposé approxime bien la performance de SWCNT film mince dans la nanoindentation. Finalement, nous avons étudié les propriétés électrostrictives du composite (P (VDF-TrFE) / SWCNT) à base de SWCNTs par la méthode des éléments finis. Les résultats numériques trouvés montrent que l'électrostriction du composite SWCNT / P (VDP-TrFE) est considérablement dépendant de la fraction volumique de SWCNT et du rapport des constantes diélectriques (SWCNT et P (VDP-TrFE)). Dans ce travail, nous avons constaté que les propriétés des CNTs obtenues théoriquement ou expérimentalement impliquent des inévitables incertitudes. Donc la prise en compte des incertitudes des propriétés des CNTs devient nécessaire. Pour l’analyse de ces incertitudes, nous avons appliqué la méthode de l'optimisation basée sur la fiabilité (RBO). Cette méthode est un outil efficace pour assurer la fiabilité des résultats expérimentaux et numériques dans le processus d'estimation du comportement élasto-plastique pour SWCNT film mince.

  • Titre traduit

    Study of mechanical and electromechanical properties of SWCNTs materials by simulation and experimental methods in considering uncertainties


  • Résumé

    Carbon nanotubes (CNTs) as one of the most important nanomaterials today have been demonstrated a combination of exceptional physical, electrical, mechanical, and chemical properties, which have resulted in their great potential of industrial application in many fields. CNTs can be categorized as single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs). The structure of a SWCNT can be viewed as one-atom-thick layer of graphite rolled cylinder. Well understand the property of SWCNTs is fundamental in the exploration of research and applications of CNTs based products.The present research is focus on evaluating the mechanical and electromechanical properties of SWCNTs materials with different material morphology. Under the hierarchical (or bottom-up) ideal, the elastic properties of the individual SWCNTs were studied by using Finite element (FE) method. Effects of the diameter, chirality and length on the elastic moduli of SWCNTs are discussed based on numerical calculations. Furthermore, the ultra-thin SWCNTs film (~200nm) is prepared by spin coating method. The elastic modulus of SWCNT thin film is estimated by nanoidentation test. Its elasto-plastic properties were then determined by FE simulation combined with the statistics constraints of the experimental results. The results showed that the mechanical performance of SWCNTs thin film during indentation can be approximately represented by a bilinear model. The mechanical parameters of SWCNTs thin film obtained by experiment and numerical calculation are : the Young’s modulus E=192.83± 13.922 Gpa, the tangent modulus Et ≈ 42GPa, and the yield stress Oy ≈ 8.4GPa, respectively. The electrostrictive properties of SWCl\lT- based composite (P(VDF-TrFE)/SWCNT) were also investigated by FE method. Numerical results show that the electrostriction of the SWCNT/P(VDP-TrFE) composite is greatly dependent on the volume fraction of SWCNT and the difference of dielectric constant between SWCNT and P (VDP-TrFE) copolymer. In this work, we found that the properties of CNTs obtained either by theory or by experiments involve inevitable uncertainty, and some are relatively large. Therefore, uncertainty analysis for the predicted properties of CNTs becomes necessary with the increasing product performance demands. The application of Reliability-Based Optimization (RBO) method in the process of elasto-plastic behavior estimation for SWCNT thin film indicates that RBO method should be an effective tool to ensure the reliability of experimental and numerical results.


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