4.2 Optimisation des formulations
4.2.5 Annexe : Résultats des plans d’expérience 2-3-4
L’objectif de cette partie est de présenter les résultats des plans d’expérience proposés
dans la partie précédente.
Taux de porosités
L’objectif des différents plans d’expérience proposés dans la partie précédente est
l’optimisation de la distribution des charges carbonées au sein du composite. Ceci devrait
permettre une amélioration du réseau percolant et donc des propriétés électriques des
composites formulés. Un paramètre relativement direct de la qualité de ce réseau percolant au
sein du composite est la porosité.
Les taux de porosités de l'ensemble des formulations étudiées sont présentés en
fonction du taux de renforts carbonés dans la Figure 66. Une augmentation de la porosité est
observée d’environ 4 à 12% pour des taux renforts compris entre 60 et 70 wt%.
Manifestement pour les systèmes trop chargés, un manque de cohésion entre la matrice et les
renforts est obtenu induisant la formation de porosités. Cependant, une légère diminution du
taux de porosités est observée pour les formulations avec des systèmes ternaires de renforts,
notamment pour les systèmes Gr1-CF-CB. Cette tendance n’est pas observée pour le plan 4,
mais était attendue du fait de la complexité à disperser des nanotubes de carbone dans une
résine vinylester.
Figure 66. Taux de porosité en fonction du taux de renforts carbonés (la courbe pointillée
noire indique la tendance suivie)
Propriétés électriques
Les conductivités électriques en fonction du taux de renforts carbonés de l'ensemble
des formulations étudiées sont présentées dans la Figure 67. Rappelons qu'une conductivité de
100 S.cm-1 est exigée par l'application. Globalement une augmentation de la conductivité
électrique est observée avec le taux de renforts carbonés. Les conductivités électriques les
plus élevées sont proches de 65 S.cm-1.
Plan d'expérience 1 : Systèmes de renforts binaires Gr1-CF
L’augmentation du taux de graphite ou de fibres de carbones à taux de fibres de
carbone ou de graphite constant conduit à une augmentation de la conductivité. Cette
évolution similaire pour les deux types de formulations indique une contribution identique de
ces deux types de renforts : graphite et fibres de carbone au sein du composite. La
conductivité électrique maximale 65.2 S.cm-1 est obtenue pour le composite Gr1 (59
wt\%)/CF(10wt\%).
54 56 58 60 62 64 66 68 70 72 74 76
0
5
10
15
20
25
P
o
ro
s
it
é
(
%
)
Renforts carbonés (wt%)
Plan 1 Gr/CF (Gr)
Plan 1 Gr/CF (CF)
Plan 2 Gr/CF/CB
Plan 3 Gr1-Gr2-CF
Plan 4 Gr1-CF-CNT
149
Résultats et Discussions
Plans d'expérience 2-3-4 : Systèmes de renforts ternaires Gr1-CF-CB, Gr1-Gr2-CF, Gr1
-CF-CNT
Les propriétés électriques obtenues pour les systèmes de renforts Gr1-CF-CB et Gr1
-Gr2-CF sont plus faibles que celles obtenues avec les systèmes de renfort binaire Gr1-CF
étudiés précédemment. Ceci peut sans doute s'expliquer par le fait que les noirs de carbone et
le deuxième type de graphite de taille plus élevée introduits dans les formulations des plans 2
et 3 ont des conductivités électriques intrinsèques plus faibles. Seul le système ternaire de
renforts Gr1-CF-CNT permet une augmentation de la conductivité électrique, du fait de la
conductivité électrique élevée des nanotubes de carbone. Il est également important de
remarquer que le maximum de conductivité obtenue avec le système Gr1-CF n'a pas été atteint
avec ces nouvelles formulations.
Figure 67. Conductivité en fonction du taux de renforts carbonés (la courbe pointillée noire
indique la tendance suivie)
55 60 65 70 75
20
40
60
80
100
Plan 1 Gr1-CF (Gr) Plan 1 Gr1-CF (CF) Plan 2 Gr1-CF-CB Plan 3 Gr1-Gr2-CF Plan 4 Gr1-CF-CNTC
o
n
d
u
c
ti
v
it
é
(
S
.c
m
-1)
Renforts carbonés (wt%)
CDC
Propriétés mécaniques
Étant donné l'application visée, de bonnes propriétés mécaniques sont également
exigées. Du fait des composites étudiés, les propriétés mécaniques en flexion et plus
particulièrement la résistance mécanique en flexion sont étudiées : la résistance mécanique en
flexion doit être supérieure à 49 MPa. La résistance mécanique en flexion en fonction du taux
de renforts carbonés pour l'ensemble des formulations étudiées est présentée dans la Figure
68.
Pour l'ensemble des formulations étudiées, une diminution globale de la résistance
mécanique en flexion en fonction du taux de renforts carbonés est observée. Une bonne partie
des formulations testées ont juste les propriétés requises par l’application, certaines sont en
dessous des exigences.
Pour le système binaire Gr1-CF, l'augmentation du taux de fibres de carbone permet
une augmentation significative des propriétés mécaniques. En revanche, les systèmes ternaires
de renforts ne permettent pas d'amélioration significative des propriétés mécaniques à taux de
charges identique.
Figure 68. Résistance mécanique en flexion en fonction du taux de renforts carbonés (la
courbe pointillée noire indique la tendance suivie)
55 60 65 70 75
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
Plan 1 Gr1-CF (Gr) Plan 1 Gr1-CF (CF) Plan 2 Gr1-CF-CB Plan 3 Gr1-Gr2-CF Plan 4 Gr1-CF-CNTR
é
s
is
ta
n
c
e
e
n
f
le
x
io
n
(
M
P
a
)
Renforts carbonés (wt%)
CDC
151
Résultats et Discussions
Conclusions
Afin d'optimiser au mieux les formulations du projet, nous avons représenté la
résistance mécanique en flexion en fonction de la conductivité électrique des différents
composites étudiés dans les différents plans, Figure 69.
Comme le montre cette figure, aucune des formulations actuelles n'atteint les
exigences électriques et mécaniques du cahier des charges.
Ces formulations possèdent au mieux une conductivité électrique d’environ 65 S.cm-1
pour une exigence à 100 S.cm-1, et la résistance mécanique en flexion est pour certaines
formulations en dessous des exigences du cahier des charges.
Pour finir, il semble important de noter que l'influence de la formulation sur les
propriétés électriques et mécaniques des composites soit plutôt faible compte tenu du nombre
de formulations testées (une trentaine sont représentées sur ces graphes) et de leur
différences : systèmes mono-renforts, binaires et ternaires. Peut-être que dans notre démarche
d’optimisation, certains aspects ont été négligés comme le procédé de mise en œuvre ?
Figure 69. Résistance mécanique en flexion en fonction de la conductivité électrique pour
l’ensemble des formulations testées
1 10 100
0
20
40
60
80
100
120 CDC
R
é
s
is
tanc
e
en
fl
ex
io
n
(M
P
a
)
Conductivité (S.cm
-1)
Plan 1 Gr1-CF (Gr) Plan 1 Gr1-CF (CF) Plan 2 Gr1-CF-CB Plan 3 Gr1-Gr2-CF Plan 4 Gr1-CF-CNTCDC
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Etude et développement de plaques composites bipolaires pour piles à combustible
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