Добірка наукової літератури з теми "Composites polymères – Propriétés thermiques – Propriétés mécaniques"

Les matériaux hétérogènes sont utilisés dans l’industrie notamment pour alléger les structures ou renforcer certaines propriétés mécaniques ou chimiques propres à chacun des matériaux combinés tout en visant l’optimisation des cycles de production. Ils peuvent être déclinés sous la forme d’assemblages collés ou soudés ou sous forme de composites. Ils répondent à des enjeux de plus en plus élevés dans des secteurs exigeants comme l’aérospatial, la défense, les transports ou l’énergie. En raison de la complexité de leurs procédés de fabrication et d’un retour d’expérience limité sur ces matériaux en exploitation, ces derniers nécessitent des moyens de contrôle avancés permettant de détecter leurs défauts internes ou d’évaluer les propriétés internes qui pourraient notamment affecter leurs performances que ce soit au stade de la production ou en cours d’exploitation. Les matériaux assemblés peuvent être affectés par différents types de défaut, cohésif ou adhésif, tels que des porosités dans la colle, des défauts de polymérisation, des mauvaises transformations de la matière chauffée ou encore des décollements. Pour les matériaux composites, dans le cadre de leur production, il s’agit notamment de défauts d’imprégnation, de défauts d’alignement ou d’orientation des fibres alors qu’en cours d’exploitation, plutôt de délaminations ou de perte d’épaisseur. De ce fait, la possibilité d’apporter des garanties supplémentaires sur les performances de ces matériaux en s’appuyant sur un contrôle de leur volume intérieur, suscite un intérêt grandissant pour les techniques de contrôle non destructif et rapide pour qualifier 100% des produits en production et de suivre le vieillissement de ces matériaux en exploitation. Dans ce cadre, la technologie d’imagerie THz, méthode de contrôle non destructif rapide, sans contact et portative, est une solution prometteuse. Basée sur de nouvelles ondes électromagnétiques, appelées THz, elle associe une capacité de pénétration importante dans la plupart des matériaux diélectriques (i.e. non conducteurs), comme les polymères, élastomères et céramiques, avec une forte sensibilité de détection des hétérogénéités de la matière et de leur anisotropie en proposant une capacité de résolution d’imagerie compatible avec la taille des défauts courants recherchés par le monde industriel. Une technique d’imagerie THz innovante en mode réflexion ou transmission permet notamment de réaliser des cartographies 2D de leurs hétérogénéités en temps réel, compatible avec du contrôle à haute cadence sur ligne de production ou pour des pièces de grandes dimensions. Lors de cette communication, TERAKALIS, société spécialisée dans la fabrication d’équipements THz, présentera le domaine des ondes THz, les principales techniques de mesure, un état de la maturité des systèmes THz actuels avec leurs niveaux de performance et limites pour le contrôle de la qualité des assemblages collés ou soudés et aussi des matériaux composites. Elle s’appuiera sur des cas applicatifs automatisés en guise d’illustration dans le cadre de production ou d’exploitation.

Les Contrôles Non Destructifs (CND) usuels, tels que les ultrasons ou les rayons X, peuvent, dans certains cas, atteindre leurs limites d’utilisation. C’est le cas, par exemple, pour des composants revêtus de revêtements de protection polymères/élastomères épais, de revêtements poreux tels que les barrières thermiques ou bien encore de patches (composites, bandages) de réparation- lorsque la structure a déjà fait l’objet d’une intervention de maintenance – qui sont particulièrement atténuants pour les Ultrasons. L’utilisation des rayons X, en particulier en tangentiel, rencontre un certain succès mais présente des limitations liées à la géométrie des composants à inspecter, de même qu’en raison de leur dangerosité et complexité de mise en oeuvre. Ils sont par ailleurs peu sensibles aux faibles hétérogénéités dans les matériaux, rendant par là-même difficile la détection précoce de certains défauts. Les ondes Térahertz sont des ondes électromagnétiques dont les propriétés sont très intéressantes et ouvrent de nouvelles perspectives pour le CND. Sans danger et ne nécessitant aucun contact avec la structure, elles traversent aisément les matériaux non conducteurs électriques, qu’ils soient minces, épais, massifs ou poreux, y compris multicouches. Elles sont très sensibles aux faibles hétérogénéités ainsi qu’à la présence d’eau et d’humidité. On les met en oeuvre pour mesurer des épaisseurs, caractériser les interfaces, réaliser des cartographies 2D/3D et détecter, dimensionner et localiser des défauts, même sur des pièces de grandes dimensions. Elles permettent notamment la détection de corrosion, de décollements, de fuites et plus généralement de défauts, sous et à l’intérieur des matériaux et complètent utilement les technologies de contrôle usuelles. Elles constituent une alternative pertinente aux CND existants pour répondre à des problématiques de contrôle mal ou non résolues. TERAKALIS, société spécialisée en ingénierie TéraHertz, présente dans cet article les avantages et limites de la technologie THz pour le contrôle de matériaux et revêtements de forte épaisseur et la détection de défauts dans ces revêtements ainsi qu’aux interfaces.

Guidée par une recherche continue de performance de production, de qualité de fabrication et de réduction des coûts, l’industrie utilise de manière croissante de nouveaux revêtements techniques, hybrides, multifonctionnels, assurant des fonctions critiques (anticorrosion, protection contre les impacts de foudre, blindage, furtivité…). Ces revêtements sont souvent conçus pour optimiser des propriétés thermiques, électromagnétiques, électriques, mais aussi acoustiques ou mécaniques. Leur complexité peut être plus ou moins importante avec la possibilité d’ajouter des fonctions supplémentaires selon leur cadre d’utilisation, comme par exemple l’utilisation en conditions extrêmes. L’aptitude des technologies THz pour la mesure d’épaisseur de revêtements a déjà été démontrée dans de nombreuses publications et en environnement industriel. Les gammes de mesure, la précision ainsi que la cadence d’acquisition et de traitement sont compatibles avec une grande partie des applications industrielles. Le capteur développé par Terakalis est rapide, sans contact et adapté au travail sur des pièces avec des surfaces complexes et de grandes dimensions. Il permet de déterminer l'épaisseur de chaque couche d’un revêtement multicouche et offre des avantages significatifs par rapport aux techniques existantes. Il est par exemple possible de : • Mesurer des épaisseurs multicouches très fines (à partir de 10μm), sur tous types de substrats (métalliques, composites, céramiques…), de manière rapide pour des cartographies, • Détecter des départs de corrosion sur substrat métallique sous le revêtement, • Détecter des défauts de cohésions entre le revêtement et le substrat (délaminations), • Mesurer les épaisseurs de revêtements même humides (gain de temps, détection plus rapide d’éventuels défauts). Cette technologie représente une rupture majeure pour le contrôle de la qualité et des processus dans l'application de peinture et offre des avantages économiques et environnementaux. Lors de cette communication, TERAKALIS, société spécialisée en fabrication d’équipements THz, présentera le principe des ondes TeraHertz, les principales méthodes de mesure, un état de la maturité des systèmes THz actuels avec leurs performances et limites pour la mesure de faibles épaisseurs et la détection de défauts dans les revêtements fins (<1mm) et aux interfaces. Elle s’appuiera sur des cas applicatifs en guise d’illustration.

Les materiaux a effet ctp ou coefficient temperature positif sont caracterises par une forte augmentation de la resistivite electrique quand ils sont chauffes au-dela d'une temperature critique t#c. Ce phenomene, relativement bien connu dans les composites conducteurs a matrice semi-cristalline, reste mal compris dans les materiaux amorphes tels que les polymeres thermodurcissables charges avec des particules conductrices. Les objectifs de notre travail consistent a etudier les proprietes de differents composites conducteurs a matrice epoxyde, charges avec (i) du polypyrrole, (ii) du noir de carbone, ou (iii) des particules metalliques, a evaluer leur potentiel et leurs limites en tant que systemes de protection electrique, et contribuer ainsi a mieux comprendre les phenomenes de non-linearite electrique dans les materiaux heterogenes aleatoires. Dans une introduction bibliographique, regroupant les differentes classes de materiaux a effet ctp, les nombreux facteurs et les mecanismes a l'origine du coefficient temperature positif sont passes en revue et discutes dans un contexte tres general. L'etude des proprietes thermomecaniques, l'analyse de la structure du reseau de percolation et des mecanismes de conduction sont presentes dans les chapitres ii et iii et s'averent des etapes indispensables a la comprehension des proprietes physiques des composites, telles que l'anomalie ctp. La conjonction de ces trois concepts permet d'analyser les proprietes electriques non-lineaires des materiaux, faisant l'objet d'une quatrieme partie, et de mieux comprendre les origines de l'anomalie ctp selon la nature et la structure des composites. Deux interpretations differentes du phenomene sont proposees en fonction des modes de conduction et de la nature des contacts inter-particules. Dans le cas d'un mecanisme de conduction metallique, une importante transition metal/isolant est possible pour une large gamme de composites, et le role de la matrice et de la fraction volumique de charges est mineur. Dans le cas des materiaux heterogenes aleatoires semi-conducteurs, les parametres lies a l'expansion thermique de la matrice et a la structure du reseau conducteur deviennent predominants, et regissent l'amplitude et la temperature de commutation de l'effet ctp.

L’élaboration de nanocomposites à base de polyéthylène (PE) et d’une charge nanométrique argileuse de structure lamellaire, la Montmorillonite (MMT), est l’objet de cette étude. L’incompatibilité entre le PE particulièrement apolaire et la MMT polaire nécessite la compatibilisation du système. Ceci implique d’une part, de rendre l’argile plus hydrophobe, par intercalation dans l’espace interfoliaire d’un ammonium à longues chaînes carbonées, et d’autre part, d’utiliser un compatibilisant à base de polymère portant quelques pourcents de fonctions polaires. Une étude en solution sur des molécules modèles, nous a permis de mettre en évidence les capacités d’intercalation de la fonction anhydride. Le choix du compatibilisant s’est alors porté sur des polyéthylènes greffés par des fonctions anhydride maléique. Nous avons optimisé la synthèse de ces compatibilisants par extrusion réactive du PE en présence d’anhydride maléique et de peroxyde de dicumyle. Les nanocomposites ont été préparés en extrudeuse bivis corotative. Une étude des conditions de transformation des mélanges à l’état fondu (profil de vis, vitesse d’extrusion, mode d’introduction des constituants) a été menée pour assurer une bonne dispersion des feuillets de MMT. Nous avons mis en évidence deux paramètres importants permettant d’obtenir des nanocomposites exfoliés : le taux d’anhydride maléique (aspect chimique) et la viscosité des polymères (aspect physique). Les propriétés mécaniques (module d’Young en traction), thermiques (température de dégradation, oxydation et résistance au feu) et morphologiques (état de dispersion de la charge, taux de cristallinité du polymère) des composites ont été étudiées.

L’objectif de la thèse est d’élaborer des matériaux hybrides organiques-inorganiques lamellaires originaux et de les disperser dans une matrice polymère afin d’obtenir des nanocomposites. La mise en œuvre des nanocomposites s’est faite à chaque fois dans deux types de matrices, le polyéthylène (PE) et le polyamide-12 (PA-12). Deux types d’hybrides lamellaires y ont été dispersés. Le premier est l’oxyde lamellaire KTiNbO5, modifié chimiquement par intercalation d’alkylamines de différentes longueurs de chaîne carbonée pour améliorer sa compatibilité avec les différentes matrices polymères. La dispersion de ces matériaux hybrides a permis d’améliorer plusieurs propriétés des matrices hôtes comme la stabilité thermique, la résistance mécanique et la résistance au feu. La deuxième famille de matériaux élaborés est celle des phosphonates de cuivre lamellaires porteurs de chaînes alkyles de différentes longueurs. L’objectif de cette étude est de préparer un matériau hybride avec un métal de transition en vue de son incorporation dans le polymère. Une étude structurale approfondie de la série homologue a mis en évidence deux types de composés : hydratés pour les chaînes alkyles courtes (nombre de carbone ≤10) et déshydratés pour les chaînes carbonée n≥10. Ces deux types structuraux ont montré des comportements magnétiques différents. Enfin, l’incorporation de ces charges dans les matrices polyéthylène et polyamide-12 a révélé que la nature covalente de la liaison chimique entre la partie organique et le feuillet inorganique ne permet pas d’obtenir un état d’exfoliation suffisant pour bénéficier de l’effet ‘nano’ sur les propriétés physiques
The aim of this work is to elaborate original lamellar hybrid materials and disperse them in a polymer matrix to obtain nanocomposites. They have been prepared using two different matrixes, one apolar (polyethylene) and one polar (polyamide-12). The two lamellar hybrid systems have been dispersed in these matrixes and studied as part of the hybrid nature. The first one, the lamellar oxide KTiNbO5, has been chemically modified with alkylamines having different carbon chain lengths in order to be compatible with the different polymer matrixes. The dispersion of such materials has allowed improving several properties like thermal stability, mechanical resistance and fire resistance. The second family studied is the copper alkylphosphonate one. They have been prepared with different alkyl chain lengths. The aim of this study is to prepare a hybrid material with a transition metal and to disperse it in the polymer matrixes. A deep structural study of the homologue series has revealed two types of compounds: hydrated for the short alkyl chains (number of carbon atoms≤10) and dehydrated for the alkyl chains with n≥10. These two structural types have shown different magnetic behaviours. Finally, the incorporation of these fillers in polyethylene and polyamide-12 has revealed that the chemical nature of the bond which links the organic part to the inorganic one of the hybrid does not allow obtaining an efficient exfoliation mechanism

Les élastomères silicone possèdent de remarquables caractéristiques thermiques. Il est cependant nécessaire de les formuler pour optimiser leurs propriétés mécaniques et dynamiques. L’objectif de cette thèse est donc le renforcement des silicones. Des charges minérales, telles que la silice, sont le plus souvent utilisées pour améliorer les caractéristiques de ces polysiloxanes via des interactions physiques. L’étude approfondie du comportement mécanique et thermique de nanocomposites silicone, nous a permis de comprendre les mécanismes d’amélioration de ces propriétés. L’utilisation de nanocharges hybrides organiques/inorganiques nous a permis de développer un nouveau mode de renforcement du silicone impliquant la création de liaisons covalentes entre la nanocharge et la matrice. La modification de nanocharges par hydrosilylation permet d’optimiser considérablement la dispersion de celles-ci et d’augmenter la densité de réticulation du silicone. Nous montrons dans ce projet qu’il est possible d’améliorer simultanément la tenue au vieillissement thermique aérobie et anaérobie, de réduire l’effet Payne, et d’augmenter le module élastique de silicones chargés. Ce nouveau mode de renforcement est un levier qui permet de multiplier les applications pour des mélanges silicone aux très bonnes propriétés thermiques, mécaniques et dynamiques
Silicon rubbers exhibit very good thermal properties. Unfortunately, their mechanical properties are too weak and must be improved. Silica minerals are generally used to improve the silicon matrix properties via physical interactions. The aim of this work is to understand and improve the silicon rubbers physical behavior by using nanofillers. In depth studies of mechanical behavior and thermal degradation of silicon nanocomposites allowed us to well-understand reinforcement mechanisms. Thanks to hybrid organic/inorganic nanoparticles, we managed to increase the rubber’s crosslink density and to improve the dispersion of nanofillers in the matrix blends. Chemical modifications through hydrosilylation reaction and morphological modifications of these particles, allowed us to enhance significantly the thermal, mechanical and dynamic properties of silicon rubbers. In this work, we have found a new way of reinforcement by creating covalent bonds between tailored nanofillers and the silicon rubber matrix. This new way of reinforcement of silicon rubber properties allows simultaneously improving thermal behavior, reduce Payne effect, and increase elastic modulus

Cette étude constitue une contribution à la recherche de nouveau matériau composite originaire des ressources naturelles végétales. Elle vise alors à l’exploitation des fibres naturelles extraites de la plante d’Alfa avec une matrice biopolymère thermoplastique de type Mater-Bi® afin d’élaborer des biocomposites. Trois types de fibres courtes extraites de la plante d’Alfa sont préparés ; non traitées et traitées par un traitement alcalin à 1 et 5%. Les diverses techniques utilisées pour la caractérisation des fibres ont révélé une augmentation de la rugosité, du taux de cellulose, de l’indice de cristallinité ainsi de la stabilité thermique après le traitement alcalin. Les matériaux composites sont préparés par extrusion bivis suivi d’une opération d’injection en faisant varier le pourcentage des fibres de 0 à 25%. Les analyses thermiques des biocomposites ont montré un accroissement significatif de la vitesse de cristallisation suite à l'incorporation des fibres d’Alfa ainsi une amélioration de la stabilité thermique pour les matériaux à base de fibres traitées. La résistance à la traction et le module de Young des biocomposites ont augmenté alors que la ténacité et l’allongement à la rupture ont diminué avec l'augmentation du taux de fibres. Les micrographies MEB des surfaces fracturées indiquent une bonne adhésion entre la matrice et les fibres d’Alfa traitées ou non. L’étude de la cinétique de cristallisation des différents biocomposites a prouvé le fort effet nucléant des fibres d’Alfa traitées ou non
This study is a contribution to the search for new composite material from vegetable natural resources. It aims at the exploitation of natural fibers extracted from the Alfa plant with a bioplastic of the Mater-Bi® type in order to develop biocomposites. Three kinds of short fibers extracted from Alfa plant were prepared; untreated, 1% and 5% alkali treated. The various techniques used for fibers characterization showed an increase in the roughness, cellulose level, crystallinity index and thermal stability after the alkali treatment. The composite materials were prepared by twin screw extrusion flowed by an injection operation by varying the fiber contents of 0 to 25%. Thermal analysis showed significant increase of the crystallization rate with the incorporation of Alfa fibers and enhancement of thermal stability by alkali treatment. Modulus and tensile strength of biocomposites also improved whereas toughness and elongation at break decreased upon increasing the fibers fraction. Scanning electron microscopy (SEM) on fractured surfaces indicated good adhesion between the matrix and the treated or untreated Alfa fibers. The study of crystallization kinetics of biocomposites showed strong nucleating effect of treated or untreated Alfa fibers

L'utilisation de fibres végétales, tant dans le domaine de la plasturgie que dans celui du bâtiment, permet de réduire les émissions de gaz à effet de serre et par conséquent l'impact environnemental de l’Homme. L'intérêt envers les bio-composites utilisant des fibres végétales telles que le chanvre, le bois, le lin mais également le roseau miscanthus ne cesse d'augmenter. Il n'existe, à l'heure actuelle, que très peu de travaux s’intéressant au roseau phragmites australis. Pourtant, n'utilisant pas de surfaces cultivées, cette plante invasive est indépendante des enjeux agricoles et ne demande aucun intrant chimique. La récolte du roseau s'inscrit donc dans une démarche de gestion des zones humides tout en valorisant un matériau aux multiples propriétés. Les travaux de cette thèse sont consacrés à la caractérisation du matériau brut phragmites australis et à l’étude de son éligibilité comme matériau en substitution de trois matériaux de référence, le bois, le miscanthus et la chènevotte, largement utilisés comme renforts en plasturgie et en éco-construction. Des formulations de composites utilisant deux matrices polymères (polypropylène et polybutylène succinate) à différents taux de charges végétales et d’agent compatibilisant ont été caractérisées d’un point de vue de leurs propriétés mécaniques par des essais de traction, flexion et choc Charpy. Le vieillissement à l’eau de ces composites a également été étudié et corrélé au caractère hydrophobe du roseau. Pour le volet construction, des formulations à base de roseaux de différentes origines et utilisant différents liants (chaux aérienne, plâtre et terre) ont été testées en compression et avec des mesures de conductivité thermique afin d’évaluer le comportement du roseau en tant que matériau d’usage pour le bâtiment
The use of plant fibres, both in the field of plastics processing and in the building industry, makes it possible to reduce greenhouse gas emissions and therefore the environmental impact of mankind. Interest in biocomposites using plant fibres such as hemp, wood, flax and also miscanthus reed is increasing. Nowadays, there is very little work on the reed phragmites australis. However, as it does not use cultivated areas, this invasive plant is independent of agricultural issues and does not require any chemical inputs. The reed harvest is therefore part of a wetlands management approach while enhancing the value of a material with multiple properties. This work is devoted to the characterisation of the raw material phragmites australis and to the study of its eligibility as a substitute material of three reference materials, wood, miscanthus and hemp shiv, widely used as reinforcements in plastics processing and eco-construction. Composite formulations using two polymer matrices (polypropylene and polybutylene succinate) with different rates of plant fillers and coupling agent were characterised from the point of view of their mechanical properties by Charpy tensile, flexural and impact tests. The water ageing of these composites was also studied and correlated to the hydrophobic character of the reed. For the construction application, formulations based on reeds of different origins and using different binders (lime, plaster and earth) were tested in compression and with thermal conductivity measurements in order to evaluate the behaviour of the reed as a material for building use

Pour étendre l'utilisation des composites dans des applications plus variées (applications intelligentes et multifonctionnelles), l'une des barrières est leur faible conductivité électrique et thermique. Dans le cas de composites renforcés par des fibres de carbone, la matrice organique est responsable des propriétés isolantes du composite résultant. L'une des solutions pour améliorer les conductivités des matériaux est l'utilisation des nanocharges conductrices. L'amélioration des propriétés électriques et thermiques des polymères nanochargés est une problématique récurrente dans la littérature. Cependant, étudier les propriétés des composites à fibre de carbone continue et nanochargés est moins abordée. Ce travail porte sur la fabrication et la caractérisation des composites nanochargés par du noir de carbone et des nanotubes de carbone. Tout d'abord, un intérêt particulier a été accordé à la phase délicate de la fabrication. Comme mentionné ci-dessus, la mise en œuvre des composites à renfort continu et matrice nanochargée implique des problèmes liés à l'agglomération et à la dispersion inhomogène des nanocharges dans le composite final. Pour résoudre ces problèmes, le choix de la matrice thermoplastique (Polyamide 6) était judicieux. En fait, la dispersion des nanocharges a été faite par extrusion bi-vis qui est connue comme l'une des voies les plus efficaces de séparation d'agglomérats. De plus, la méthode de fabrication à base de films de Polyamide 6, appelée film stacking, assure une partition homogène dès le début du processus. Des observations MEB ont été effectuées pour localiser les nanoparticules. Ceux-là ont montré que les particules pénétraient dans la zone des fibres. En effet, en atteignant le cœur des torons, les nano-charges ont créé un réseau de connectivité entre les fibres pour le passage de courant. Ceci explique l'amélioration constatée de la conductivité électrique des composites en présence de noir de carbone et des nanotubes de carbone. Ces essais ont été réalisés avec la méthode à 4 points. La conductivité électrique du composite à matrice « pure » est passée de 20S / cm à 80S / cm en ajoutant 8% en poids de noir de carbone et à 15S / cm en ajoutant 18% en poids de la même charge nanométrique. Pour les nanotubes de carbone, avec 2,5% en poids, la conductivité était d'environ 150S / cm. Pour les propriétés thermiques, des tests basés sur l'effet Joule ont été réalisés. L'augmentation de la température a été enregistrée en utilisant une caméra IR. Les résultats obtenus sont en accord avec ceux de la conductivité électrique, montrant une amélioration du comportement thermique en présence de nanocharges. Grâce à ces résultats, l'utilisation de ces composites comme outil de suivi d’endommagement était possible. Par ailleurs, la méthode de variation de la résistance électrique a été effectuée. Les matériaux nanochargés ont montré une meilleure sensibilité aux endommagements. Les résultats ont été comparés aux outils classiques de suivi d’endommagement. A la fin, plusieurs applications « intelligentes » ont été testées telles que : le composite à gradients de propriétés et des matériaux nanochargés cousus
To extend the use of composites in more varied application (smart applications, multifunctional issues), one of the actual barrier is their poor electrical and thermal conductivities. In the case of carbon fiber reinforced composites, organic matrix are in charge of the insulating properties of the resulting composite. One of the solutions to enhance conductivities of materials is the use of conductive nanofillers. Improving the electrical and thermal properties of nanofilled polymers has been investigated in several studies. However, studiing the properties of continuous carbon fiber nano-filled composites is less approached. This work tends to fabricate and characterize carbon black and carbon nanotubes nano-filled composites. First of all, special interest was given to the delicate phase of manufacturing. As mentioned before, processing continuous fiber reinforced nanofilled polymers implies issues related to nanofillers agglomeration and inhomogeneous dispersion in the final composite. To resolve these problems, the choice of the thermoplastic (Polyamide6) matrix seemed preferable. In fact, the dispersion of nanofillers was made by twin screw extrusion which is known as one of the most effective agglomeration separation ways. Adding to this, the fabrication method based on Polyamide 6 shects called film stacking, ensure a homogeneous partition at the beginning of the process. SEM observations were performed to localize the nano-particles. It showed that particles penetrated on the fiber zone. In fact, by reaching the fiber zone, the nano-fillers created network connectivity between fibers which means an easy pathway for the current. It explains the noticed improvement of the electrical conductivity of the composites by adding carbon black and carbon nanotube. This test was performed with the 4 points electrical circuit. It shows that electrical conductivity of 'neat' matrix composite passed from 20S/cm to 80S/cm by adding 8wt% of carbon black and to 15S/cm by adding 18wt% of the same nano-filler. For carbon nanotubes, with '2.5wt% the conductivity was around 150S/cm. For the thermal properties, tests based on Joule's effect were performed. The rise of temperature was recorded using IR camera. Results obtained are in agreement with the electrical conductivity ones, showing enhancement of the thermal behavior in presence of nanofillers. Thanks to these results, the use of these composites as a damage-monitoring tool was possible. By the way, the electrical resistance change method was performed. Nanofilled materials showed better sensitivity to damage. Results were compared with classical damage monitoring tools. At the end, several 'smart' applications were tested such as graded functionalities composite and stitched nanofilled materials

Cette étude présente la production de composites à matrice copolymère à base de poly(L-lactide) par Moulage par Transfert de Résine Thermoplastique (TP-RTM). Dans ce procédé, la polymérisation in-situ par ouverture de cycle du L-lactide (L-LA) et de l'ε-caprolactone (ε-CL) a été réalisée en une seule étape pour obtenir des composites à matrice copolymères poly(L-lactide-co-ε-caprolactone) (PLCL) biodégradable. L'incorporation de l'ε-CL dans la matrice avait pour objectif de réduire la fragilité du PLLA. La matrice PLCL résultante a été associée à des renforts de verre ou de carbone. Différents rapports molaires L-LA / ε-CL ont été testés, ce qui a permis de développer des composites présentant des propriétés chimiques, thermiques et mécaniques variées. Les paramètres expérimentaux du procédé TP-RTM ont été optimisés pour créer des composites avec moins de vides possibles. Ensuite, ces composites ont été caractérisés pour évaluer la conversion du monomère, la masse molaire et les propriétés thermiques des matrices ainsi que les propriétés mécaniques des composites résultants. Il a été constaté que les composites PLCL / verre tissée présentent une résistance aux chocs plus élevée par rapport à leurs homologues à base de PLLA. D'autre part, les composites PLCL / renfort de carbone présentent des propriétés de légèreté remarquables avec une grande résistance à la flexion. Les fractures des composites après les essais mécaniques ont été étudiées pour identifier le type d'endommagement au cours de ces essais. Dans une approche plus durable, des composites entièrement biodégradables de PLLA / renforts de lin ont été produits par TP-RTM, et leurs propriétés chimiques, thermiques et mécaniques ont également été étudiées. De plus, le vieillissement accéléré de l'ensemble de ces composites sous température et irradiation UV a été étudié. A l'issue du vieillissement, une relation entre la cristallinité, la masse molaire des matrices et les propriétés de flexion a pu être établie
The present study experimentally investigated the production of poly(L-lactide)-based matrix composites by Thermoplastic Resin Transfer Molding (TP-RTM). In this process, the in-situ ring opening polymerization of L-lactide (L-LA) and ε-caprolactone (ε-CL) was performed in a single step to achieve composites with a biodegradable poly(L-lactide-co-ε-caprolactone) (PLCL) matrix in one step synthesis. The incorporation of ε-CL in the matrix was aimed at reducing the brittleness of PLLA. The resulting PLCL matrix was reinforced with glass or carbon fabrics. Different L-LA / ε-CL molar ratios were tested, leading to the development of composites with various chemical, thermal, and mechanical properties. The TP-RTM parameters were optimized to produce composites with reduced voids. Subsequently, these composites were characterized to evaluate monomers conversions, molecular weights and thermal properties of the matrices, as long as the mechanical properties of the resulting composites. It was found that PLCL / glass fabric composites exhibit higher impact resistance compared to their PLLA-based counterparts. On the other hand, PLCL / carbon fabric composites display remarkable lightweight properties with high bending strength. The fractures of the composites after mechanical tests were studied to identify the failure type during these experiments. In a more sustainable approach, fully biodegradable PLLA / flax composites were produced using TP-RTM, and their chemical, thermal, and mechanical properties were also studied. Furthermore, the impact of accelerated aging, i.e under temperature and UV irradiation, was studied on all composites. After aging, a relationship between crystallinity, matrices molecular weights and bending properties was established

La thèse concerne les synthèse et caractérisation de composites polymères nanostructurés à base d’esters de cyanates de bisphénol a (DCBA) ou à base d’oligomères cycliques de butylène téréphtalate (CBT) et de nanotubes de carbone multi-parois (MWCNTS). L’effet catalytique des nanotubes de carbone sur la polycyclotrimerisation de DCBA et aussi sur la polymérisation du CBT est observé. L’augmentation de la température de cristallisation a été fixée pour tous les échantillons de nanocomposites à base de polybutylène téréphtalate (cPBT). L’effet de la méthode de mise en forme de cPBT/MWCNTS sur ses propriétés thermiques et électriques a été établi. Il est observé que le traitement thermique additionnel des échantillons (recuit) à des températures inférieures à celle de la fusion du cPBT cause la réagglomération des MWCNTS dans le système. Il est établi que l’ajout de très bas taux de MWCNTS (0.03-0.06 pour cent en masse) dans la matrice de polycyanurate (PCN) augmente les valeurs de résistance à la flexion (64-94 pour cent). De même l’ajout de 0.01 pourcent de MWCNTS en masse dans le CBT augmente considérablement le module d'élasticité des nanocomposites cPBT. Cet effet a été expliqué par la dispersion efficace de cette faible quantité de nanocharges pendant la synthèse in situ de la matrice de cPBT et est confirmée par les clichés en microscopie. Il est déterminé que les propriétés électriques des nanocomposites à base d’esters hétérocycliques et MWCNTS peuvent varier de matériaux isolants aux matériaux conducteurs. Les seuils de percolation des deux systèmes sont très bas (0.22 et 0.38 pourcent pour nanocomposites à base de cPBT et PCN respectivement). La conductivité des composites conducteurs est particulièrement stable sur un large domaine de température ce qui laisse présager des applications intéressantes dans le domaine de la microélectronique et pour des pièces d’avion et de navettes spatiales
The thesis relates to synthesis and investigation of nanostructured polymer composites based on oligomers of cyanate esters of bisphenol a (DCBA) or cyclic butylene terephthalate (CBT) and multiwalled carbon nanotubes (MWCNTS). Catalytic effect of mwcnts in process of DCBA polycyclotrimerization as well as in cbt polymerization has been observed. Significant increase in crystallization temperature of nanocomposites based on polybutylene terephthalate (cPBT) with adding of MWCNTS is observed. The effect of processing method of cpbt/mwcnts nanocomposites on its electrical properties has been found. It has been established that the additional heating of the samples (annealing) at temperatures above melting of cPBT leads to reagglomeration of MWCNTS in the system. It is established that reagglomeration of MWCNTS results in increase of conductivity values of nanocomposites due to formation of percolation pathways of MWCNTS through polymer matrix. In the case of polycyanurate matrix (PCN), it is found that addition of small mwcnts contents (0.03-0.06 weight percents) provides increasing tensile strength by 62-94 percents. It has been found that addition of even 0.01 weight percents of MWCNTS provides significant increase in storage modulus of cPBT matrix. This is explained by effective dispersing of small amount of the nanofiller during in situ synthesis of pcn or cpbt matrix that is confirmed by microscopy techniques. It has been established that the properties of the nanocomposites based on heterocyclic esters and MWCNTS can be varied from isolator to conductor and has low percolation thresholds (0.22 and 0.38 weight percents for cPBT and PCN nanocomposites respectively). The conductivity of samples is particularly stable on a very large range of temperature from 300 to 10 degrees Kelvin that make these materials perspective for practical applications in microelectronics, as parts of aircraft and space constructions

Le travail présenté dans ce document vise à mettre en évidence et à comprendre l'effet de la taille nanométrique des renforts sur les propriétés des nanocomposites avec une approche expérimentale. Des nanocomposites de PMMA et particules de silice (15nm, 25nm, 60nm, 150nm et 500nm) de fractions volumiques 2 0/0, 40/0 et 6 0/0 ont été fabriqués. Des analyses multi-échelles (MET et DRX-WAXS) ont montré que les paramètres caractéristiques de la microstructure des nanocomposites varient avec la taille des nanoparticules. En effet, la diminution de la taille des nanoparticules à fraction volumique constante a entrainé une diminution de la distance intermoléculaire. Cette diminution a induit une densification de la matrice et une réduction de la mobilité des chaînes de la matrice. Des essais mécaniques (traction, DMA) ont montré que les modules de Young (E) et de conservation (E') des nanocomposites augmentent avec la diminution de la taille des nanoparticules à fraction volumique constante. Et que l'augmentation de E' est conservée avec l'augmentation de la température. Une augmentation des températures de transition vitreuse (Tg) et de dégradation (Td) a également été observée avec les essais DSC, DMA et ATG. Le modèle de la borne inférieure d'Hashin-Shtrikman étendue aux nanocomposites à renforts sphériques proposé par Brisard a été utilisé. La modélisation des modules élastiques des nanocomposites a montré que pour reproduire les données expérimentales, il faut que d'une part que les modules surfaciques caractérisant l'interface soient dépendants de la taille des nanoparticules. Et d'autre part, tenir compte de l'état de dispersion des nanoparticules
The work presented in this paper aims to highlight and to understand the size effect of nano-reinforcements on nanocomposite properties With an experimental approach. Nanocomposites of PMMA and silica particles With different sizes (15nm, 25nm, 60nm, 150nm and 500nm) and volume fractions (20/0, 4 0/0 and 60/0) were manufactured. Multiscale analysis (MET and DRX-WAXS) have shown that the characteristic parameters of the microstructure of nanocomposites vary With the size of the nanoparticles. Indeed, the decrease in the size of nanoparticles at a given volume fraction implies a decrease of the intermolecular distance. This decrease has induced a densification of the matrix and a decrease of the matrix chain mobility. Mechanical tests (tensile, DMA) have shown that the young (E) and the conservation (E') moduli of the nanocomposites increase With the decrease in the size of the nanoparticles With a constant volume fraction. And the increase of E l is kept when temperature growing. An increase in glass transition (Tg) and degradation temperature (Td) was also observed With the DSC, DMA and ATG tests. Experimental elastic properties of the nanocomposites were used to assess the relevance of size effect micromechanical models, particularly the Hashin-Shtrikman bounds With interface effects proposed by Brisard. The modeling has shown that to reproduce the experimental elastic moduli of nanocomposites, the elastic coefficients of the interface must be dependents on particle sizes. And the state of dispersion of particles must be taken into account

La réduction de la taille du renfort tout en gardant la fraction volumique constante induit une augmentation considérable des interactions entre le renfort et la matrice qui l’entoure. La conséquence de ces interactions sur l’amélioration du comportement mécanique, physique et thermique du composite nécessite la mise en place de démarche adéquate pour une quantification fiable tout en comprenant l’origine de ces améliorations. Dans ce chapitre l’accent sera mis sur les possibles corrélations entre l’effet de taille et les propriétés améliorées des nanocomposites.

Les rôles de la taille et de la nature des charges dans les composites sont mis en évidence en comparant quatre types de charges : carbure de silicium, alumine, nitrure de bore et graphite. Leur nature chimique semble être prépondérante sur la taille car elle gouverne les interactions interfaciales charge/matrice qui se traduisent par de meilleures propriétés mécaniques.