Elaboration et étude des propriétés mécaniques et thermiques de matériaux constitués de nanotubes de carbone verticalement alignés

Elaboration and study of both mechanical and thermal properties of vertically carbon nanotubes reinforced materials

• Auteur / Autrice : Jonathan Bouillonnec
• Direction : Martine Mayne-L'Hermite, Philippe Olivier
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 17/07/2015
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Propriétés thermiques

Nanotubes

Mots clés libres

Nanotube de carbone alignés

Tapis

Nanocomposites 1D

Matrice époxy

Teneur volumique en NTC

Structure cristalline

Renforcement mécanique

Conduction thermique

Aligned carbon nanotube

Carpet

1D-nanocomposites

Epoxy matrix

CNT volume fraction

Crystalline structure

Mechanical reinforcement

Thermal conduction

Résumé

Les tapis de nanotubes de carbone verticalement alignés sont des candidats potentiels pour des applications telles que les interconnexions ou les matériaux d'interface thermique. Ce travail de recherche porte sur la synthèse de tapis de nanotubes de carbone alignés selon le procédé de dépôt chimique en phase vapeur (CVD) d'aérosols liquides, sur l'élaboration de nanocomposites constitués de différentes nuances de matrices époxy infiltrées au sein de ces tapis, ainsi que sur l'étude des propriétés mécaniques et thermiques longitudinales et transverses des tapis secs eux-mêmes et des nanocomposites 1D formés. Les conditions de synthèse permettent notamment de faire varier les caractéristiques des tapis telles que leur épaisseur, leur masse volumique, le diamètre externe moyen des nanotubes de carbone (NTC), l'espace intertube et la teneur volumique en NTC, alors que leur structure cristalline peut être modifiée par le biais d'un traitement thermique à haute température. L'objectif principal de ce travail consiste à démontrer et quantifier l'effet de certaines caractéristiques des tapis de nanotubes de carbone sur les propriétés mécaniques et thermiques des différents types de tapis et matériaux composites obtenus. Les deux méthodes d'imprégnation mises en oeuvre, voie liquide et infusion, conduisent à des tapis de NTC alignés denses avec un alignement des NTC conservé et une répartition homogène des NTC au sein du système époxy. La fraction volumique en NTC s'avère être le paramètre-clé permettant d'exacerber, dans la direction longitudinale aux NTC, les propriétés mécaniques et thermiques des nanocomposites. Par ailleurs, les tapis de NTC et les nanocomposites voient leurs propriétés de conduction thermique longitudinale nettement exacerbées lorsque les NTC présentent une amélioration de leur structure cristalline. L'augmentation significative des performances apportées par les tapis de NTC verticalement alignés au sein de ces matériaux nanocomposites anisotropes par rapport aux matrices organiques non chargées est prometteuse et ouvre des pistes de réflexion visant à répondre aux nouvelles exigences de multifonctionnalité des secteurs de l'aéronautique et de l'aérospatial.

Vertically aligned carbon nanotube carpets are potential candidates for applications such as interconnections or thermal interface materials (TIMs). This research work deals with the synthesis of aligned carbon nanotube carpets from the aerosol assisted chemical vapour deposition (CVD) technique, with the elaboration of nanocomposites made of different grades of epoxy matrix infiltrated within these carpets, as well as the study of both longitudinal and transverse mechanical and thermal properties of dry carpets themselves and 1D-nanocomposites separately. The synthesis conditions notably enable to vary characteristics of the differents carpets such as their thickness, their density, the mean external diameter of the carbon nanotubes (CNT), the intertube space and the CNT volume fraction, whereas their crystalline structure can be modified with a high temperature thermal treatment. The main goal of this work is to prove and quantify the effect of some of the characteristics of the carbon nanotubes carpets on both mechanical and thermal properties of the different kinds of CNT carpets and resulting composite materials. The two impregnation methods used, liquid way and infusion, lead to dense CNT carpets with a preserved alignment of the CNT and an homogeneous distribution of these latest within the epoxy system. The CNT volume content is evidenced as the key-parameter exacerbating the mechanical and thermal properties mainly in the longitudinal direction compared with the alignment axis of the CNTs. Moreover the mechanical and thermal conduction properties of the CNT carpets and the 1D-nanocomposites are clearly increased when the crystalline structure of the CNT is improved. The significant increasing of the properties brought by the vertically aligned CNT within these anisotropic 1D-nanocomposites compared with the only organic matrixes is promising and opens new pathways aiming to meet the latest specifications related to multifunctionnality in fields such as aeronautics and aerospace.