Etude du renforcement d une résine polymère par des nanotubes de carbone

Transcription

1 Introduction sur les nanomatériaux Modélisation de la résine polymère renforcée par des nanotubes de carbone Calcul des propriétés mécaniques de la résine Etude du renforcement d une résine polymère par des nanotubes de carbone 19 Avril 2011

2 Au courage et à la volonté d Annabelle Paré.

3 Introduction sur les nanomatériaux Echelles et dimensionnalités Types et propriétés des nanomatériaux Le nanotube de carbone Modélisation de la résine polymère renforcée par des nanotubes de carbone Pourquoi un renforcement de la résine polymère par des nanotubes de carbone? Mise en place d un volume élémentaire représentatif Paramètres morphologiques des NTC et VER correspondants Calcul des propriétés mécaniques de la résine Propriétés mécaniques??? Calcul des propriétés mécaniques de la résine Conformité de nos résultats Etudes actuelles et perspectives

4 Echelles et dimensionnalités De l échelle humaine à celle de l atome

5 Types et propriétés des nanomatériaux Nanoparticules à forme cylindrique Différentes vues de nanotubes obtenues par microscopie électronique Autres types de nanoparticules Différents types de nanoparticules utilisées dans le monde industriel

6 Types et propriétés des nanomatériaux Propriétés des nanomatériaux Les nanomatériaux possèdent des propriétés extraordinaires dont l exploitation demeure encore difficile. Les champs d utilisation sont vastes, nous retrouvons parmi eux : la rigidification de matériaux composites, l isolation de système de double de vitrage (à conductivité thermique inférieure à celui de l air!), la vectorialisation intracorporelle de médicaments en médecine (notamment pour le traitement contre le cancer), l application au solaire photovoltaïque pour augmenter le rendement de conversion, l application aux batteries grâce à une réactivité électrochimique accrue etc etc... Quid de l aspect toxicité???

7 Types et propriétés des nanomatériaux Propriétés des nanomatériaux Les nanomatériaux possèdent des propriétés extraordinaires dont l exploitation demeure encore difficile. Les champs d utilisation sont vastes, nous retrouvons parmi eux : la rigidification de matériaux composites, l isolation de système de double de vitrage (à conductivité thermique inférieure à celui de l air!), la vectorialisation intracorporelle de médicaments en médecine (notamment pour le traitement contre le cancer), l application au solaire photovoltaïque pour augmenter le rendement de conversion, l application aux batteries grâce à une réactivité électrochimique accrue etc etc... Quid de l aspect toxicité???

8 Le nanotube de carbone Représentation d un NTC 2 types de nanotube de carbone Le nanotube de carbone est une forme cristalline du carbone à structure cylindrique existant sous plusieurs formes. Le NTC à simple feuillet Le NTC multi-parois composé de plusieurs structures concentriques.

9 Le nanotube de carbone Représentation d un NTC 2 types de nanotube de carbone Le nanotube de carbone est une forme cristalline du carbone à structure cylindrique existant sous plusieurs formes. Le NTC à simple feuillet Le NTC multi-parois composé de plusieurs structures concentriques.

10 Le nanotube de carbone Propriétés du NTC Le nanotube de carbone suscite un grand engouement dans le monde industriel depuis une vingtaine d années, il est en effet doté de propriétés assez exceptionnelles : Propriétés mécaniques (grande rigidité et faible masse) Propriétés thermique (excellente conductivité thermique) Propriétés électriques (excellente conductivité électrique) Propriétés à engendrer beaucoup de travail (thèse de doctorat effectuée actuellement au sein de l UCBN) Propriétés à éveiller l imagination (projet d ascenseur spatial de la NASA) Mais attention, le nanotube de carbone est aussi toxique!

11 Pourquoi un renforcement de la résine polymère par des nanotubes de carbone? Visualisation de la résine renforcée par les nanotubes de carbone Les nanotubes de carbone sont noyés aléatoirement au sein de la résine polymère.

12 Pourquoi un renforcement de la résine polymère par des nanotubes de carbone? Utilité première de la résine polymère dans notre contexte La résine polymère est souvent utilisée afin de constituer des matériaux composites à base de fibres (par exemple des fibres de carbone). Son rôle est essentiellement celui d une colle les liant. Injecter des nanotubes de carbone au sein de la résine permet d accroître ses propriétés et donc celles du matériau composite. Visualisation de la résine polymère entourant des fibres de carbone

13 Mise en place d un volume élémentaire représentatif Volume élémentaire représentatif? Une première étape de l étude d une résine renforcée par des nanotubes de carbone est de définir un motif représentatif de celle-ci, nous parlons plus généralement de volume élémentaire représentatif (VER). Propriétés du VER VER plan Largeur du VER fixé à 2 micromètres Nombre de NTC inclus dans le VER aléatoire Paramètres morphologiques des NTC fixés ou définis aléatoirement

14 Mise en place d un volume élémentaire représentatif Volume élémentaire représentatif? Une première étape de l étude d une résine renforcée par des nanotubes de carbone est de définir un motif représentatif de celle-ci, nous parlons plus généralement de volume élémentaire représentatif (VER). Propriétés du VER VER plan Largeur du VER fixé à 2 micromètres Nombre de NTC inclus dans le VER aléatoire Paramètres morphologiques des NTC fixés ou définis aléatoirement

15 Mise en place d un volume élémentaire représentatif Exemple de VER Mais comment arrive t-on à obtenir un tel VER???

16 Mise en place d un volume élémentaire représentatif Mise en place du VER primitif Afin de construire le VER final, nous nous basons sur un VER primitif constitué d élements quadrangulaires grossiers et de NTC modélisés sous forme de segments subdivisés.

17 Mise en place d un volume élémentaire représentatif Méthode de raffinement local L idée est ici de subdiviser les élements de départ afin de mieux cerner localement le NTC (il s agit, ici, d un exemple de subdivision par 8). Un seul but : diminuer le temps de calcul! Les résultats parlent d eux-mêmes! Subdivision Temps de calcul (en s)

18 Mise en place d un volume élémentaire représentatif Méthode de raffinement local L idée est ici de subdiviser les élements de départ afin de mieux cerner localement le NTC (il s agit, ici, d un exemple de subdivision par 8). Un seul but : diminuer le temps de calcul! Les résultats parlent d eux-mêmes! Subdivision Temps de calcul (en s)

19 Paramètres morphologiques des NTC et VER correspondants Paramètres morphologiques des NTC La représentativité du matériau est directement liée aux paramètres morphologiques du nanotube de carbone. Notre étude prend en compte la mise en place des paramètres suivants : fraction volumique des NTC, orientation des NTC, diamètre et longueur du NTC, courbure du NTC, répartition des NTC au sein du VER, présence d une zone d interphase, distribution des longueurs selon une loi log-normale. Nous pouvons préciser que tous ces paramètres ne sont pas forcément pertinents dans le calcul des propriétés mécaniques de la résine.

20 Paramètres morphologiques des NTC et VER correspondants Cas à orientation fixe Nous pouvons par exemple fixer le paramètre d orientation,...

21 Paramètres morphologiques des NTC et VER correspondants Cas à faible diamètre... ou encore créer des nanotubes plus fins...

22 Paramètres morphologiques des NTC et VER correspondants Cas à agrégats... ou encore définir une répartition inhomogène...

23 Paramètres morphologiques des NTC et VER correspondants Cas à agrégats... ou encore définir une zone d interphase...

24 Paramètres morphologiques des NTC et VER correspondants...etc...etc...

25 Propriétés mécaniques??? Le module de Young Le module de Young caractérise la rigidité du matériau, autrement dit la dureté de celui-ci. Il se note souvent E et s exprime en Pascal. Quelques exemples de module de Young Acier 210 GPa Aluminium 69 GPa Cheveu 10 GPa Fer 196 GPa Résine polymère 4,2 GPa Nanotube de carbone (direction longitudinale) 1050 GPa

26 Propriétés mécaniques??? Le module de Young Le module de Young caractérise la rigidité du matériau, autrement dit la dureté de celui-ci. Il se note souvent E et s exprime en Pascal. Quelques exemples de module de Young Acier 210 GPa Aluminium 69 GPa Cheveu 10 GPa Fer 196 GPa Résine polymère 4,2 GPa Nanotube de carbone (direction longitudinale) 1050 GPa

27 Calcul des propriétés mécaniques de la résine Mise en place d un échantillonnage de nos résultats Problème : Un VER représente une unique disposition de la résine renforcée par les nanotubes! Idée : Mettre en place un échantillonnage de résultats effectués sur des volumes élémentaires définis aléatoirement. Notre but est alors de traiter notre base de données par des outils statistiques afin de cerner les propriétés de la résine renforcée.

28 Conformité de nos résultats Comparatif des résultats avec des modèles micromécaniques La courbe de régression moyenne en bleue est comprise entre les différentes bornes micromécaniques, nos résultats sont donc conformes aux modèles correspondants.

29 Conformité de nos résultats Mise en place d une étude sur l influence de l orientation des NTC Nous cherchons à vérifier l impact de l orientation sur nos résultats. Nous considérons des VER de ce type :

30 Conformité de nos résultats Etude de l influence de l orientation des NTC Comme nous l attendons, les résultats obtenus dans le cas où l orientation est fixe (dite orthotrope) sont nettement supérieurs à ceux obtenus dans un cas où les directions sont aléatoires.

31 Etudes actuelles et perspectives Le travail que j effectue actuellement consite à étudier l impact des paramètres de morphologie et de la répartition des nanotubes de carbone sur la rigidité de la résine polymère. Les paramètres influants que je cherche actuellement à caractériser sont les suivants : le diamètre des nanotubes, la longueur des nanotubes, la courbure des nanotubes, le phénomène d agrégats au sein de la résine renforcée, l influence de la percolation. Les perspectives sont multiples, nous pensons transcrire notre modèle en trois dimensions afin d approcher encore plus la réalité physique. Une étude par imagerie serait également intéressante pour mieux comprendre l impact de l aspect morphologique du composite.

32 Merci de votre attention...