Influence des matériaux de l'électrode sur la résistivité électrique

Le bloc 30 des essais finaux vise à déterminer l'influence des matériaux sur la résistivité électrique de l'électrode composite. Deux aspects sont évalués, soit la proportion volumique ((pf) de poudre conductrice (bloc 30A) pour les deux types de composites (Cu-101/FA709-00 et UFG5/FA709-00), ainsi que l'ajout d'un dopant dans un mélange UFG5/FA709-00 (bloc 30B). Les mélanges utilisés pour ces essais sont décris dans les Figures 3-18 et 3-19 de la section 3.9.2.3

La Figure 4-30 illustre la résistivité électrique en fonction de tpf pour les deux types de composites sur une échelle semi-logarithmique. Pour le composite à base de graphite, la courbe a pratiquement l'allure d'une droite décroissante (jusqu'à ç>f= 70,0%) pour ensuite atteindre un plateau àpE = 0,0174 Q-cm entre (pf= 70,0% et q>f= 80,0%>. Pour le composite à base de cuivre,

pE est représenté approximativement par une droite quasi horizontale à pE = 0,0250 Q-cm entre

(Pf= 45,0%) et <pf= 71,0%). En dessous de tpf= 45,0%>, il est impossible de mesurer la résistivité du composite à base de cuivre. Pour le composite de graphite, l'incertitude absolue sur pE varie

entre 0,001 et 0,09 Q-cm, ce qui correspond à une incertitude relative d'environ 5% pour toute valeur de pE. En ce qui concerne les composites à base de cuivre, l'incertitude varie plutôt entre

0,001 et 0,004 Q-cm, pour une incertitude relative de 5% également. L'écart-type sur pE pour

entre 0,0021 et 0,0074 pour le cuivre. L'écart-type élevé, dans le cas du graphite, survient pour les mesures à faible composition (çf= 15,0%»), soit lorsque le matériau est le moins conducteur et donc plus difficile à mesurer. Plus la composition augmente et moins il y a de variation de pE,

pour un (pf donné. 10,000 1,000 i 0,100 0,010

o

X Cul01/FA709-00 - O - UFG5/FA709-00 XX s

o.

ï'^o—o

20 40 60 4 (vol. %) 80 100

Figure 4-30: Résistivité électrique (pE) en fonction de la proportion volumique (çf) de poudre

conductrice pour les composites Cul01/FA709-00 et UFG5/FA709-00.

En ce qui concerne le composite UFG5/FA709-00, le comportement résultant suit une tendance tout à fait prévisible, dans la mesure où plus il y a de matériau conducteur dans une matrice isolante et plus la résistance de ce dernier tend à diminuer. Le composite Cu-101/FA709-00 suit cependant un comportement difficile à expliquer, étant donné que la proportion de cuivre varie beaucoup. En effet, la résistivité devrait suivre un comportement semblable à celui du graphite. Tout d'abord, il faut se rappeler que le composite à base de cuivre produit des électrodes très poreuses (section 4.1.3) et que la courbe présentée à la Figure 4-30 tient compte de la proportion volumique théorique de poudre conductrice. Il faut donc tracer la courbe de pE en

fonction de la proportion réelle de poudre conductrice en incluant la porosité. La Figure 4-31 montre qu'en incluant la porosité de l'électrode dans le calcul de <pf, la valeur de rpfP réelle (q>fp =

pourquoi la résistivité est pratiquement constante sur la plage mesurée. Dans le cas du composite à base de graphite, l'inclusion de la porosité permet de faire disparaître le plateau entre q)f= 70,0 et 80,0%> puisqu'en réalité, la proportion de poudre à rpf- 80,0% est en réalité de 68,3%. 10,000 1,000 0,100 0,010 0,00 x

a

X Cul01/FA709-00 ■ O - UFG5/FA709-00

f

: S Û

o. _a>

20,00 40,00 ty (vol. %) 60,00 80,00

Figure 4-31 : Résistivité électrique (pE) en fonction de la proportion volumique ((pfp) de poudre

conductrice incluant la porosité (P), pour les composites Cul01/FA709-00 et UFG5/FA709-00.

En ce qui concerne le composite UFG5/FA709-00, le comportement résultant suit une tendance tout à fait prévisible, dans la mesure où plus il y a de matériau conducteur dans une matrice isolante et plus la résistance de ce dernier tend à diminuer. Le composite Cu-101/FA709-00 suit cependant un comportement difficile à expliquer, étant donné que la proportion de cuivre varie beaucoup. En effet, la résistivité devrait suivre un comportement semblable à celui du graphite. Tout d'abord, il faut se rappeler que le composite à base de cuivre produit des électrodes très poreuses (section 4.1.3) et que la courbe présentée à la Figure 4-30 tient compte de la proportion volumique théorique de poudre conductrice. Il faut donc tracer la courbe de pE en

fonction de la proportion réelle de poudre conductrice en incluant la porosité. La Figure 4-31 montre qu'en incluant la porosité de l'électrode dans le calcul de <pf, la valeur de rpfP réelle (npfp =

pourquoi la résistivité est pratiquement constante sur la plage mesurée. Dans le cas du composite à base de graphite, l'inclusion de la porosité permet de faire disparaître le plateau entre <pf= 70,0 et 80,0% puisqu'en réalité, la proportion de poudre à Çf= 80,0% est en réalité de 68,3%.

Pour les électrodes constituées de Cu-101/FA709-00, la mesure de résistivité électrique est beaucoup plus difficile à prendre. Cette difficulté repose essentiellement sur la méthode de mesure utilisée (méthode à quatre pointes). Le fait que les zones de mesure soient très localisées sur l'électrode, il devient difficile d'être en contact avec plusieurs particules de cuivre (lorsque (Pf est faible). Comme les surfaces de contact entre les particules de cuivre sont moins étendues (section 4.2.3.2) que pour le graphite, il est plus difficile au courant de bien circuler dans la pièce, limitant ainsi les capacités de l'appareil de mesure. Dans le cas du graphite, la géométrie des particules favorise une meilleure surface de contact, ce qui rend les mesures possibles, même à faible concentration.

Pour l'électrode UFG5/FA709-00, il serait intéressant de vérifier la théorie de Hashin et Shtrikman [32], décrite par les équations (2.26) et (2.27) (section 2.3.1) concernant la conductivité électrique des composites. La Figure 4-32 présente donc la variation de logio(erc) en

fonction de <pf, ainsi que les bornes supérieure (oHS+) et inférieure (oHS~) de conductivité du

composite déterminée par les équations (2.26) et (2.27). La courbe de conductivité du composite se situe bel et bien entre les deux bornes oH S + et oHS~ et s'en rapproche beaucoup à

haute concentration de matériau conducteur. Contrairement aux résultats de la Figure 2-20, la conductivité du composite UFG5/FA709-00 est nettement plus près de la borne supérieure que pour celui à base de poudre d'aluminium [31]. Le taux de percolation se situe ici entre çy = 0 et

— UFG5/FA709-00 HS- 60 -2 -15,000 -20,000 40 60 ^ ( v o l , %) 100

Figure 4-32: Conductivité électrique du composite UFG5/FA709-00 avec les bornes supérieure oH S + et inférieure <rH5-deselon le modèle de Hashin et Shtrikman [32].

Le second aspect vérifie l'influence de l'ajout d'un matériau dopant dans une électrode UFG5/FA709-00, q>f = 80,0% en remplacement d'une portion du graphite par du cuivre, de la fibre ou du noir de carbone. La Figure 4-33 représente pE en fonction de la proportion de

matériau dopant ((pi). Pour les trois types de matériaux dopant, la résistivité électrique croît de façon quadratique en fonction de (ph- L'ajout de cuivre ou de noir de carbone contribue à la plus grande variation de pE du composite. La variation maximale de pE est d'ailleurs presque du

même ordre pour une valeur de (pf donnée, soit 0,034 Q-cm pour HyCu et 0,028 Q-cm pour HyCB. 0,060 0,050 0,040 ç? 0,030 a, 0,020 0,010 0,000

_i \ s

_i \ s

y = 3E-05x2 - 3E-05x + 0,0174 R2 = 0,9988 y s y = 3E-05x2 - 3E-05x + 0,0174 R2 = 0,9988 y y = 3E-05x2 + 0,0003x + 0,0173 R2 = 0,9994 ,A = 3E-05x2 + 0,0003x + 0,0173 R2 = 0,9994 ,A y = 1E-05X2 - 3E-05x + 0,0171 R2 = l

Ï:':'

:

^J K

y = 1E-05X2 - 3E-05x + 0,0171 R2 = l

Ï:':'

:

^J K

o HyCu D HyCB A HyCF Vp -r D HyCB A HyCF Poly. (HyCu) Poly. (HyCB) 10 20 /*(vol.%) 30 40 Poly. (HyCF)

Figure 4-33: Résistivité électrique (pE) en fonction de la proportion volumique ((pH) de matériau

En observant de nouveau le comportement de la porosité en fonction de (ph (section 4.2.3.2, Figure 4-9), on constate que ce sont ces mêmes matériaux qui influencent le plus la porosité de l'électrode. Considérant les observations reliant la résistivité directement à la porosité observée aux sections 4.4.1 et 4.4.2, tout porte à croire que l'augmentation de résistivité est directement due à l'augmentation de porosité. Une autre cause possible est que l'introduction de poudre plus régulière et de géométrie relativement ovale diminue la surface de contact entre les particules, réduisant donc également la conductivité du matériau.

L'électrode composite possède une plus grande résistivité électrique, comparativement à une électrode commerciale. Une électrode composite graphite (rpf = 80,0%) a une résistivité de 0,0171 Q-cm (Figure 4-30), tandis qu'une électrode commerciale Poco EDM-1 a une résistivité de 0,00193 Q-cm [20]. L'électrode commerciale est donc environ 9 fois moins résistive que l'électrode composite à base de graphite. Cette différence s'explique notamment par le fait que pour l'électrode commerciale, les particules de graphite sont soudées entre elles (frittage), tandis que celles de l'électrode composite sont simplement maintenues en contact grâce à la matrice polymère. Il est donc plus facile au courant électrique de circuler dans l'électrode commerciale, puisque le contact entre les particules est nettement supérieur à celui entre les particules de l'électrode composite.

Une électrode utilisable pour l'EDM doit avoir la meilleure conductivité électrique possible. Les paramètres du procédé de moulage par compression (TM et pf), ainsi que certains

paramètres de l'actuateur piézoélectrique (fet P^pour un matériau très poreux) permettent de diminuer la résistivité électrique du composite. Le facteur principal de variation de la résistivité électrique est cependant la proportion de matériau conducteur dans le composite. Une électrode avec une conductivité maximale doit donc être moulée avec un TM et un pf élevé. Elle doit

également être constituée d'un composite à base de graphite ayant une proportion de matériau conducteur se situant entre 70,0 et 80,0%. En considérant uniquement la conductivité électrique, l'ajout d'un matériau dopant pour faire une électrode hybride n'est pas souhaitable.

Dans le document Développement d'une électrode composite thermoformable pour le procédé d'électroérosion dans l'air (Page 142-148)