Chapitre XIII) Propriétés mécaniques, électriques et thermiques des composites SiC/NTC
XIII- 1) Effet de la teneur en NTC sur les propriétés mécaniques
i. Propriété de dureté
L’effet de la teneur en NTC a par la suite été évalué mécaniquement en réalisant des mesures de dureté et de ténacité.
Les indentations┴ (Figure XIII.1) effectuées sur la surface circulaire des composites montrent des profils de moins en moins définis avec l’augmentation de la teneur en NTC (Figure XIII.2). Pour les plus fortes teneurs la profondeur des indents est moins importante et leurs bords plus difficiles à délimiter. Les indentations// portées sur la tranche de l’échantillon montrent au contraire une empreinte parfaitement définie quelle que soit la teneur en NTC. Le comportement observé est donc spécifiquement causé par l’alignement particulier des NTC dans le plan perpendiculaire à l’indent. Ce phénomène, déjà constaté par Morisada et al. [167], peut être causé par une transmission et répartition de la charge exercée aux alentours via les NTC lors de l’indentation. Les dimensions similaires des indents┴ et des indents// et l’absence de fissures non radiales fragilisent cependant cette hypothèse. La pointe de diamant pénètre plus vraisemblablement la même profondeur pendant l’indentation sur la surface┴ et sur la tranche//. L’élasticité des NTC et leur l’alignement parallèle à la surface circulaire┴ induit vraisemblablement un rehaussement de l’empreinte laissée par l’indenteur.
Figure XIII.1. Schémas représentant les spécifications des indentations.
┴
156
0%m (SiC-Si 1900°C) 2%m┴
5%m┴ 5%m//
Figure XIII.2. Observation par microscope optique d’indents pour différentes teneurs de NTC.
L’évolution de la dureté des échantillons est donc la même que ça soit sur la surface circulaire┴ ou sur la tranche// et l’alignement des NTC n’a pas donc pas d’effet sur la dureté. Cette évolution, présentée dans la Figure XIII.3, est semblable à celle de la densité. De plus les échantillons de densité proches (SiC-Si fritté à 1900°C et SiC/NTC 3%m ou encore SiC/NTC 0,5%m et SiC/NTC 5%m) présentent des duretés similaires. Les variations de la densité sont donc prépondérantes par rapport à une potentielle influence des NTC sur la dureté. Le composite SiC/NTC 2%m possédant la densité la plus élevée présente donc la valeur de dureté la plus haute avec 2500Hv sans que cette amélioration ne puisse être directement attribuée à un effet mécanique des nanotubes.
Les valeurs de dureté obtenues sont comparables à celles trouvées dans la littérature pour les composites SIC/NTC [115], [169] comme pour les monolithes [23] (pour des densités et compositions similaires).
20µm 20µm
20µm 20µm
157 Figure XIII.3. Évolution de la dureté en fonction de la teneur en NTC. (. .SiC/NTC, SiC-Si fritté à
1900°C).
ii. Propriété de ténacité
Ténacité calculée à partir des indents┴ réalisés sur la surface circulaire
Malgré le comportement quasi élastique induit par la présence de NTC alignés, les fissures radiales sont présentes et bien définies (Figure XIII.2) et permettent alors d’estimer la ténacité des composites. La ténacité┴ issue des indents┴ (réalisés sur la surface circulaire) accroit de façon significative avec l’augmentation de la teneur en NTC jusqu’à 2%m, où elle atteint une valeur de 4 MPa.m1/2 (Figure XIII.4).
Pour des teneurs supérieures une diminution est observée. Ce phénomène peut être expliquée par la plus faible densité des échantillons SiC/NTC 3%m et SiC/NTC 5%m et par la présence potentiellement plus importante de NTC agglomérés pour de telles teneurs. De récents travaux sur des composites Alumine/NTC [173] ont prêté une attention particulière à l’effet des agglomérats de NTC et ont clairement montré l’influence délétère de ces agglomérats sur les mécanismes de résistance à la rupture. Shimoda et al. [47] ont également observé une diminution conséquente de la ténacité avec l’apparition de NTC agglomérés.
1400 1800 2200 2600 3000 0 1 2 3 4 5 6 D u re té (H v) Teneur en NTC (%m)
158 Figure XIII.4. Évolution de la ténacité┴ en fonction de la teneur en NTC. (. SiC/NTC, SiC-Si fritté à
1900°C).
Si la variation de la densité peut avoir un effet sur la ténacité, l’effet des NTC sur la ténacité┴ est tout de même clairement ressenti : pour des densités proches, les échantillons dont la teneur en NTC est la plus haute présentent des valeurs plus élevées comme la Figure XIII.5 le fait apparaitre.
Figure XIII.5.Évolution de la ténacité┴ en fonction de la densité.
Les clichés MEB des fissures radiales des indents┴ des composites montrent des NTC émergeants ou établissant des ponts entre les fissures (Figure XIII.6). Les NTC jouent donc le rôle de renfort en dissipant partiellement l’énergie de fissuration par leur frottement avec la matrice SiC.
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 0 1 2 3 4 5 6 Tén ac ité (M Pam 1 /2) Teneur en NTC (%m) 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 90 92 94 96 98 100 Tén aci té (M P a. m 1 /2) densité relative (%TD) 0%m 3%m 2%m 0,5%m 5%m 1%m
159 Figure XIII.6. Observation MEB d’une fissure radiale┴ sur l’échantillon SiC/NTC 1%m. Les flèches
marquent la présence de NTC émergeants ou pontants.
Ténacité calculée à partir des indents// réalisés sur la tranche
De par l’orientation spécifique des NTC, les fissures radiales générées par les indents// réalisés sur la tranche des échantillons se comportent différemment si elles sont parallèles ou perpendiculaires aux NTC (Figure XIII.7).
Figure XIII.7. Schéma représentant la configuration des indents// et des fissures radiales sur la tranche de la pastille.
160 La longueur des fissures radiales s’étant propagées selon une orientation perpendiculaire aux NTC est en effet plus courte que celle des fissures radiales parallèles à l’alignement des NTC (Figure XIII.8) et le rapport de ces longueurs a été mesuré à 0,8. Dans le cas de la fissure perpendiculaire aux NTC ceux-ci peuvent participer pleinement à la dissipation de l’énergie de fissuration via les frottements induit par leur déchaussement avec la matrice SiC (Figure XIII.9 a)), contrairement au cas de la fissure parallèle ((Figure XIII.9 b)). Les propriétés de ténacité de nos composites sont donc anisotropes. Le calcul de la ténacité selon la formule d’Anstis faisant intervenir les longueurs des deux fissures radiales générées par un indent, la différence de longueur des fissures n’a pas permis d’établir des valeurs de la ténacité// fiables et significatives.
Figure XIII.8. Observation macroscopiques des fissures radiales// pour les échantillons a) SiC/NTC 2%m et b) SiC/NTC 5%m.
50µm 50µm
161 Figure XIII.9. Observation MEB d’une fissure radiale // a) perpendiculaire aux NTC et b) parallèle aux
NTC (SiC/NTC 2%m).
a)
b) 1µm
162
Discussion sur l’apport des NTC vis-à-vis de la ténacité des composites SiC/NTC
Si la valeur de ténacité pour l’échantillon SiC/NTC 2%m est remarquable, elle reste cependant dans la moyenne basse des valeurs obtenues dans la littérature pour cette teneur en NTC. La présence de ruptures nettes (Figure XIII.10) repérées sur le faciès des échantillons fracturés, indique une fissuration en mode I des renforts et manifeste donc une interaction forte entre les NTC et la matrice. La silice, qui établit une interface physique forte avec ces renforts [188], contribue vraisemblablement à favoriser ces ruptures nettes. Les déformations des NTC par la matrice, visibles dans la Figure XIII.11, peuvent également jouer un rôle d’ancrage et augmenter l’interaction NTC/matrice. Des dégradations observées sur certains NTC pouvant être attribuées à des arrachements attestent probablement de la forte interaction entre les renforts et la matrice (Figure XIII.12).
Figure XIII.10. Observation MEB de ruptures nettes (indiquées par les flèches) de NTC (SiC/NTC 2%m).
163 Figure XIII.11. Observation MEB d’empreintes (indiquées par la flèche) laissées par la matrice sur le
nanotube de carbone (SiC/NTC 3%m).
Figure XIII.12. Observation MEB d’un NTC dégradé (indiqué par les flèches) (SiC/NTC 1%m).
Le déchaussement des parois internes des NTC, également observés sur certains renforts (Figure XIII.13), participe sans doute à la réduction de l’efficacité des mécanismes de renforcement de la ténacité (Figure XIII.14) [162]. L’interaction entre les parois internes et externes est en effet similaire à celle des feuillets dans le graphite, matériau connu pour ses propriétés lubrifiantes.
100 nm
164 Figure XIII.13. Observation MEB d’un déchaussement (indiqué par la flèche) des parois internes d’un
NTC (SiC/NTC 3%m).
Figure XIII.14. Mécanisme de déchaussement d’un nanotube de carbone : a) état initial b) propagation et déviation de la fissure, et déplacement du NTC vis-à-vis de la matrice ; c) rupture de la
paroi externe du NTC et glissement des parois internes vis-à-vis de la paroi externe ; d) le déchaussement complet du NTC ne laisse qu’une partie de la paroi externe dans la matrice [162].