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Annexe : Résultats des plans d’expérience 2-3-4

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-CNT

C

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-CNT

R

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-CNT

CDC

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