Les matériaux composites conducteurs (électriques ou thermiques) suscitent un grand intérêt dans divers champs de l'industrie, notamment dans le milieu des piles à combustion ou en électronique [40,41]. Cet intérêt provient du fait que ce type de matériau possède des propriétés thermiques ou électriques se rapprochant de celles des métaux, tout en ayant les propriétés mécaniques des plastiques [40]. Les méthodes de production sont également celle utilisées dans le cas des plastiques, ils sont donc des matériaux très attrayants [40].
Huneault et al. [41] ont travaillé à l'élaboration d'un matériau conducteur pour la fabrication de plaques bipolaires dans les piles à combustible. La matrice polymère est constituée de polypropylene (PP) et de polyphénylène sulfide (PPS) et elle est chargée de noir de carbone (CB), de fibre de carbone (CF) et de graphite (GR) [41]. Les polymères, ainsi que les matériaux de remplissage, sont mélangés dans une extrudeuse à vis double Leistritz de 34 mm [41]. Pour les mélanges de PP, la proportion totale de matériaux de remplissage est fixe à 60% massique, tandis que pour les mélanges utilisant le PPS, la proportion varie entre 52 et 56% massique. Les pièces sont moulées sur une presse à injection Engel de 150 tonnes à des températures de 240°C pour le PP avec un moule maintenu à 90°C et 340°C pour le PPS avec un moule à 180°C [41].
Les mesures de résistivité électrique sont réalisées sur des spécimens de 50 mm de diamètre et de 2 mm d'épaisseur soumis à une force de 45,4 kgf [41]. Deux électrodes de 2,54 mm sont connectées à une source de tension (Agilent, E3633A) et les mesures prisent avec un micro- ohmmètre (Agilent, 34420A). Les paramètres à l'étude sont: la proportion et le type (grandeur de la surface des particules) de noir de carbone dans le mélange, ainsi que la proportion des autres additifs (fibre et graphite) dans les différentes matrices. Ils ont déterminé que la résistivité des composites PP-CB diminue avec l'augmentation de la proportion massique de noir de carbone pour atteindre une valeur d'environ 2 ohm-cm et ce, peu importe le type utilisé. Cette valeur est cependant atteinte plus rapidement dans le cas où la surface des particules est plus élevée (Figure 2-27). Le noir de carbone CB-4 possède une surface spécifique de 1000 m2/g, tandis que CB-1 et CB-3 ont des surfaces respectives de 254 et 242 m2/g [41]. Les
proportions de noir de carbone sont limitées à 40% massique car la viscosité élevée limite la capacité à produire les pièces [41]. Un mélange en proportion 1:1 de noir de carbone CB-3 et de graphite GR-1 avec du PP démontre qu'une même résistivité peut être atteinte (Figure 2-27) tout en diminuant la viscosité du mélange (// = 230 Pa-s), comparativement à des mélanges PP- CB (rj = 700 à 800 Pa-s) [41].
Carbon concentration (wt%)
Figure 2-27: Résistivité des mélanges PP-CB pour 3 différents types de noir de carbone CB-1, CB-3 et CB-4 [41].
Finalement, différents mélanges de graphite sont effectués dans lesquels sont ajoutés une proportion massique de noir et de fibre de carbone [41]. Lorsque la proportion de noir de carbone est nulle, la résistivité du composite est d'environ 21 ohm-cm pour les mélanges formés
de polypropylene (PP) et d'environ 3 ohm-cm pour celui avec du polyphénylène sulfide (PPS) [41]. L'ajout de 30% massique de noir de carbone CB-3 au mélange à base de PP permet de diminuer la résistivité à environ 0,7 ohm-cm. Le choix d'un noir de carbone avec une plus grande surface (CB-4) permet de diminuer la résistivité électrique à 0,15 ohm-cm pour une proportion massique de 18% [41] (Figure 2-28). Pour le mélange de PPS, la résistivité est diminuée jusqu'à 0,1 ohm-cm pour une proportion de CB-4 de 12% massique [41]. Les proportions de noir de carbone sont ici limitées par les capacités du procédé de moulage par injection [41].
Carbon black weight fraction
Figure 2-28: Résistivité pour des composites à base de graphite GR-1 et GR-3 dans lesquels sont ajoutés du noir de carbone (CB-3, CB-4) et de la fibre de carbone (CF-1) [41].
Heo et al.[42] ont, quant à eux, étudié l'effet de la taille de particules sur la résistivité électrique de composites à base de graphite dans une matrice de résine thermodurcissable. Ils ont fait varier la taille (7, 15 et 25 pm) et la morphologie (sphères ou flocons) des particules de graphite [42]. Ils utilisent une résine de phénol fournie par la compagnie Novolak et du graphite de la compagnie Carbonix. Les poudres de graphite et de phénol sont mélangées dans des proportions de 85/15 massique pendant une heure pour être ensuite moulées à 150°C avec une pression de 10,34 MPa et cuites pendant 10 minutes [42]. La conductivité électrique des spécimens est mesurée par la méthode en 4 points sur des spécimens de 60 x 12,7 x 2,4 mm sur lesquels sont appliquées quatre bandes de pâte d'argent pour favoriser le contact avec les sondes [42]. Un courant de 80 mA est appliqué à l'aide d'une source de courant programmable Keithley et la
tension est mesurée avec un multimètre Keithley 196 System digital [42]. En faisant varier la taille de particules entre 7 et 25 pm pour des particules sphériques, la conductivité électrique du composite demeure inchangée. En utilisant des flocons et des sphères de 25 pm et en moulant à des pressions variant de 3,45 à 10,34 MPa, il est possible de constater que la conductivité électrique varie fortement. Elle tend à augmenter avec la pression de moulage dans le cas de sphères et dans le cas de flocons (Figure 2-29). De plus, la conductivité électrique du composite utilisant des flocons de graphite est environ 2,4 fois supérieure à celle utilisant de la poudre sphérique (Figure 2-29). La raison d'une telle variation réside dans le fait qu'une forme irrégulière permet plus de points/surfaces de contact entre les particules, améliorant donc la qualité du réseau [42]. 300
I2 5 0
f 200 | 150 o OS
1 0°
50 UJ - ■ - F l a k e • Sphere : i~ ~ ~ ~ ~ ~] ■ f _ - - . — — — - • 4 6 8 10 Molding Pressure(MPa)Figure 2-29: Conductivité électrique de composites à base de flocons et de sphères de graphite en fonction de la pression de formage [42].