Influence des matériaux de l'électrode

4.1.3.1 Essais préliminaires (blocs 2.1 et 2.2)

Les résultats exprimant la relation entre la porosité (P) et la proportion volumique ((pf) des composites pour des mélange de Cu-101/FA709-00 (bloc 2.1) et de UFG5/FA709-00 (bloc 2.2) sont présentés à la Figure 4-7.

40 - 35 30 25 - 20 ÈC 15 10 5 0 -5 y = l,0128x - 46,847 R2 = 0,9945 ACU101/FA709-00 X UFG5/FA709-00 40 50 60 70 ^ (vol.%) 80 90

Figure 4-7: Porosité (P) en fonction de la proportion volumique de poudre conductrice ((pf) pour les blocs 2.1 et 2.2.

En observant la courbe de la Figure 4-7, il est facile de distinguer la différence de comportement de P entre le composite à base de cuivre (Cu-101/FA709-00) et celui à base de graphite (UFG5/FA709-00). En effet, le composite de cuivre démontre une variation de P suivant une forte tendance linéaire, tandis que le composite de graphite ne démontre pas de variation précise. De plus, certaines valeurs de porosité pour le graphite sont négatives, ce qui est physiquement impossible car la porosité ne peut pas être plus faible que nulle. Une des causes possibles pour expliquer ceci est que lors du moulage par compression, des fuites du mélange fondu sont survenues entre le pilon et le moule. Si on suppose que ces fuites aient la même composition que le mélange d'origine, la densité théorique de l'électrode demeurent inchangée. Cependant, des observations concernant ces fuites pour les échantillons de cuivre on démontrer qu'elles sont principalement constituée de polymère. Ceci signifie qu'une petite partie de la proportion de polymère <pt ne se retrouve pas dans l'électrode. La densité théorique

de cette dernière devrait donc être plus élevée que celle calculée avec les proportions de départ car la densité du polymère est plus faible que la densité de graphite. La densité théorique utilisée pour le calcul de la porosité est donc légèrement trop faible par rapport aux proportions réelles de l'électrode, ce qui fait que la porosité calculée est négative. La masse des fuites n'a pu être mesurée pour certains échantillons (les fuites n'ont pas été conservées), notamment pour ceux UFG5/FA-709-00 ce qui rend cette hypothèse difficile à valider. Pour le composite à base de cuivre, la porosité varie jusqu'à 28,7%) du volume total de l'électrode, ce qui représente une proportion très importante de vide. En ce qui concerne l'incertitude sur les mesures de porosité, il est clair que son impact est minime (APIP = ±0,51%) par rapport aux mesures obtenues. Les valeurs de porosité négatives pour le graphite sont probablement due à l'instabilité du contrôle de la pression de formage, ainsi qu'à une mauvaise estimation du volume de l'électrode, tel que discuté à la section 4.1.1.1.

La différence entre les comportements du composite de cuivre et celui de graphite peut s'expliquer en comparant les propriétés mécaniques des matériaux conducteurs. En observant les deux matériaux, on constate que le cuivre possède une masse volumique (p = 8,96 g/cm3) et

une limite élastique (Se = 210 MPa) plus élevée que les particules de graphite (p = 2,2 g/cm3 et

Se = 66,6 MPa) [20]. Les particules de cuivre sont donc plus difficiles à déformer et à déplacer

que celle de graphite, toutes proportions gardées. La géométrie des particules peut aussi être une cause. Les particules de cuivre tendent à former des agglomérats de géométrie assez régulière pouvant atteindre près de 40 pm de diamètre (Figure 3-2). Celles de graphite sont, quant à elles, très irrégulières, de forme plutôt aplatie et de plus petites tailles (5-10 pm, voir Figure 3-1). Elles sont donc favorables à s'empiler les unes sur les autres, laissant moins d'espace entre elles. Elles sont également plus faciles à mouvoir puisque beaucoup plus petites et moins denses que celles de cuivre. La taille plus petite des particules de graphite comparativement à celle de cuivre augmente la possibilité de les enrober ou de les isoler les unes des autres. Finalement, les particules de graphite sont friables et ont de bonnes propriétés autolubrifiantes comparativement au cuivre qui est un métal ductile [20]. Ce facteur peut également favoriser leur transport les unes par rapport aux autres dans la matrice polymère.

4.1.3.2 Essais finaux (blocs 30A et 30B)

Le bloc 30A des essais finaux sert à identifier l'impact de la proportion de poudre conductrice ((pf) dans le mélange sur la porosité (P) de l'électrode. Les échantillons utilisés sont cylindriques et les essais sont réalisés sur des mélanges de Cu-101/FA709-00 et d'UFG5/FA709-00.

Les résultats de la Figure 4-8 démontrent plusieurs éléments. En premier lieu, le comportement du mélange de cuivre semble suivre une tendance similaire à celle déterminée par les essais du bloc 2.2 à partir de Çf= 40,0%>. Pour des valeurs inférieures à 40,0%>, la porosité de l'électrode est assez faible (environ 5%) et pour des valeurs supérieures, elle atteint jusqu'à 46,3%. Contrairement au bloc 2.2 des essais préliminaires, le mélange à base de graphite a un comportement similaire à celui du mélange de cuivre, à la différence que le point d'inflexion se situe entre (pf= 70,0% et ç>f= 80,0%>. Pour (pf< 75,0%>, P est pratiquement nulle dans le cas de l'UFG5/FA709-00. Cette différence de <pf pour laquelle le point d'inflexion se produit peut être causée par les mêmes raisons qui expliquent les différences de comportements exprimés à la section 4.1.3.1. 50% 40% 30% - ^ 20% - a, 10% o% X -10%

A

x

x *

20 40 , , ,_ç 0/x 60 f (vol. %) ACul01/FA709-00 X UFG5/FA709-00 80 100

Figure 4-8: Porosité en fonction de la proportion volumique de poudre conductrice pour les composites Cul01/FA709-00 et UFG5/FA709-00.

La pression de formage pf appliquée sur le mélange à base de graphite pourrait être la cause de l'apparition du point d'inflexion pour le bloc 30A, comparativement aux essais préliminaires (bloc 2.2). En effet, à force égale, la pression de formage diminue avec une augmentation de la section de l'électrode. Or, au cours des essais finaux, la pression de formage (j?f = FIAe)

appliquée sur le mélange était plus faible (12,07 MPa) que pendant les essais préliminaires (52,7 MPa). Il est donc possible que ce point d'inflexion ne fût pas présent pour les essais préliminaires puisque que la pression nette y était plus élevée pendant le moulage.

Ensuite, il semble que le problème de porosité négative soit bel et bien enraillé. Aucun des échantillons ne possède de valeur de P en dessous de zéro. En effet, aucune perte n'est survenue lors du moulage, ce qui fait que les proportions de polymère et de matériaux de remplissage sont conservées. Les valeurs de porosités sont donc basées sur une densité théorique nettement plus juste que lors des essais préliminaires.

Finalement, l'intervalle de confiance maximal sur P, avec un niveau de confiance de 95%, est de 0,4%). Cet intervalle est négligeable comparativement à la variation de P elle-même. De plus, l'incertitude relative (AP/P) sur P est de 0,31%. En calculant l'incertitude absolue pour chacune des mesures de P, on constate qu'elle est toujours sous l'intervalle de confiance pour chaque essai.

L'ajout de matériaux dopant en remplacement d'une partie du graphite dans le mélange influence également la porosité de l'électrode. En effet, trois matériaux dopant ont été utilisés pour remplacer une partie du graphite dans le bloc 30B des essais finaux, soit: le cuivre Cu-101 (HyCu), le noir de carbone (HyCB) et la fibre de carbone (HyCF). Les proportions volumiques des différents matériaux hybrides <p„ varient entre 0 et 35%> pour une proportion volumique totale de poudre conductrice r/y constante à 80% (rpf= (pn + <pg) tel que décrit à la section 3.9.2.3

(tableau 3-19). La Figure 4-9 présente leur effet sur P en fonction de leur proportion tph dans le mélange composite.

Tel que montré à la Figure 4-9, tous les agents dopant entraînent une augmentation maximale de P allant d'une valeur de 1,64 (HyCF) à 16,40% (HyCB). Leur effet est pratiquement linéaire par

rapport à (ph avec des coefficients de détermination respectifs de 0,835 (HyCF), 0,98 (HyCu) et 0,999 (HyCB). y = 0,5473x +14,521 R2 = 0,9996 y = U,e>4u;>x + 13,832 R2 x Q 9 « m y = 0,0818x +0,1444 R2 = 0,8349 O D A HyCu HyCB HyCF Linéaire (HyCu) Linéaire (HyCB) Linéaire (HyCF) 10 20 A (vol. %) 30 40

Figure 4-9: Porosité en fonction de la proportion volumique de poudre conductrice pour les composites hybrides HyCu, HyCB et HyCF.

Dans tous les cas, les résultats obtenus semblent logiques. En effet, la fibre de carbone (CF) entraîne la plus faible variation de P. Ceci est dû au fait que les fibres sont très grandes par rapport aux poudres faisant en sorte que la poudre peut facilement se positionner à travers les interstices, minimisant ainsi l'augmentation de vide dans le composite. Le cuivre, quant à lui, est sous forme de flocons de géométrie plutôt ovale et plus volumineux que les particules de graphite. Une quantité notable de cuivre augmente donc P similairement au cas d'électrodes de cuivre composite Cu-101/FA709-00 (Figure 4-8). Finalement, le noir de carbone est composé de particules nanométriques fortement agglomérées et difficile à désagréger, dans lesquelles se trouve énormément de porosité. L'ajout de ce type de conducteur entraîne donc forcément une augmentation de P dans le composite.

Les paramètres les plus influant sur la porosité de l'électrode composite sont la proportion volumique de poudre conductrice (pf, la pression de formage pf, la fréquence d'oscillation de l'actuateur piézoélectrique/et la puissance moyenne dissipé par l'actuateur piézoélectrique PM- La température de moulage Tu a également une légère influence puisqu'elle permet de réduire la viscosité du polymère. À partir d'une valeur critique de r/y, une augmentation entraîne une croissance de P, tandis que pour les autres paramètres, leur augmentation entraîne une réduction de P. Il est toujours préférable de produire des électrodes les plus denses possible (P faible). Il

faut donc mouler les pièces à haute pression et haute température. Si l'actuateur piézoélectrique est utilisé, il faut l'actionner à relativement haute fréquence. La proportion volumique de poudre conductrice dans l'électrode doit être élevée, afin d'en favoriser la conductivité électrique, tout en minimisant P. Une électrode composite en graphite est donc plus favorable qu'une en cuivre puisqu'elle permet un (pf= 70,0% sans augmentation de P pour pf= 12,07 MPa (F= 6,12 kN).

Dans le document Développement d'une électrode composite thermoformable pour le procédé d'électroérosion dans l'air (Page 117-122)