Propriétés électriques

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préliminaire de composites

4.1 Caractérisation des propriétés d’un composite fonc- fonc-tionnalisé

4.1.2 Propriétés électriques

4.1.2.1 Prévision et simulation des propriétés

Les progrès réalisés dans les domaines de l’analyse de structures et de l’optimisation accroissent en permanence la complexité de la conception qui, s’attache à résoudre des problématiques plus complètes (conception en présence d’incertitudes, sélection de maté-riaux et dimensionnement simultanés...). L’introduction de particules telles que les CNT, le graphène, les AgNws ...etc est un moyen d’atteindre la multifonctionnalité et d’espérer des gains de masse significatifs. Mais il existe une infinité de solutions. Pour cela, Airbus a développé une méthodologie pour la prédiction des propriétés et pour l’optimisation multi-physique dédiée aux matériaux composites renforcés de particules conductrices. Lamkit

©initialement développé par Airbus Group innovation a pour objectif de résoudre des problèmes multi-objectifs liés aux propriétés mécaniques, thermiques et électriques. Les solutions permettent de mettre en évidence les tendances sur l’influence de plusieurs pa-ramètres mais aussi de trouver les solutions optimales. L’approche originale dans cet outil est la possibilité de développer des solutions de matériaux optimisés liés à l’application

Figure4.3 – Micrographies : à gauche issu du MEB, à droite issu d’un microscope optique pour un composite chargé à 1,3%vol d’AgNWs

Figure4.4 – Micrographies : à gauche issu du MEB, à droite issu d’un microscope optique pour un composite chargé à 3,7%vol d’AgNWs

structure, avec deux optimisations, une à l’échelle de la structure et une autre à l’échelle du matériau.

a. Outils d’optimisation et de simulation Lamkit©

L’optimisation est utile pour donner des ordres de grandeurs de fraction massique, de rapport de forme et de propriétés souhaitées de la particule conductrice afin d’établir des objectifs des propriétés du composite. Dans ce cas, cet outil est une aide à la formulation du matériau lorsque beaucoup de paramètres varient. Plus d’informations sur l’outil Lamkit sont données en Annexe C.1.

Lamkit © introduit des lois normales sur chaque propriété des constituants. Les

pro-Figure 4.5 – Cartographie C-Scan d’une plaque de composite non-chargé

Figure 4.6 – Cartographie C-Scan d’une plaque de composite chargé de 1,3% vol d’AgNWs

priétés sont introduites par une valeur moyenne ainsi qu’une variation en pourcentage de cette valeur. La Figure 4.8 présente, par exemple, l’évolution de la conductivité élec-trique en fonction du facteur de forme et du taux massique d’AgNWs. On constate que la conductivité électrique transverse augmente en fonction de ces deux paramètres.

Un aspect intéressant à étudier concerne l’influence des propriétés des AgNWs sur la conductivité du composite. Des simulations sont effectuées en considérant un compor-tement isotrope pour les AgNWs (conductivité transverse et longitudinale identiques).

Les résultats Figure 4.9 montre une corrélation entre la conductivité longitudinale des

Figure 4.7 – Cartographie C-Scan d’une plaque de composite chargé de 3,7% vol d’AgNWs

particules et la conductivité du pli, contrairement à la conductivité transverse.

Cet outil a été utilisé afin de définir les taux de charges d’AgNWs en fonction des objectifs de conductivité à atteindre. Des simulations sont effectuées en considérant un comportement isotrope pour les trois constituants. Les conductivités de la matrice, des fibres et des AgNWs sont respectivement égaux à 10−14, 7,7∗104et 6,3∗107. Les résultats obtenus indiquent qu’il faudrait un facteur de forme de 150 et un taux de charges de 5% vol pour atteindre 25 S/m de conductivité électrique dans l’épaisseur. Des plaques ont donc été réalisées dans l’objectif d’avoir 2,5 et 5% vol d’AgNWs. Néanmoins les difficultés liées au contrôle des concentrations dans les solutions de la ligne d’imprégnation ne permettent pas de contrôler précisément les taux de charges. Les analyses ATG indiquent des taux de charges respectivement de 1,3 et 3,7% vol.

4.1.2.2 Caractérisation électrique

Des essais de caractérisation de la conductivité transverse ont été effectués pour le composite non chargé et les composites chargés. Pour cela un banc de mesure dit 4 fils a été utilisé. Le principe de la méthode en 4 fils pour la mesure de conductivité consiste à injecter un courant à l’aide de 2 fils et dans un second temps de mesurer la différence de potentiel avec 2 fils séparés. Grâce à cette différence de potentiel il est possible de remonter à la résistance de l’échantillon en connaissant ses dimensions. Cette méthode de mesure permet de s’affranchir des résistances de contact ainsi que de la résistance des fils, par conséquent le résultat de la mesure sera plus fiable. L’appareil de mesure utilisé (Resistomat 2316-V0001) et le banc conçu pour les mesures de conductivités transverses sont présentés Figure 4.10.

Les éprouvettes de 40∗40∗2,3mm3 de dimensions sont découpées à partir des diffé-rentes plaques composite. Il est nécessaire de mettre les fibres à nu afin d’avoir un contact électrique entre les électrodes et le matériau. Pour cela, un ponçage est effectué jusqu’à la

Figure 4.8 – Influence du facteur de forme sur la conductivité électrique

disparition totale de l’aspect brillant de surface à l’aide d’un papier P280. Les éprouvettes sont ensuite microbillées afin d’améliorer l’accroche du revêtement de surface. Ce revête-ment appelé "Shoopage" (dépôt de métal fondu) est ensuite appliqué sur les deux faces avec une épaisseur de cuivre de 0.2mmcomme présenté Figure4.11. Enfin, les échantillons métallisés sont ébavurés.

Les résistances de contact des deux électrodes sont mesurées avant chaque essai (celles-ci doivent être de l’ordre du mΩ). L’éprouvette est ensuite placée entre les électrodes. Cinq essais sont réalisés pour chaque échantillon. Les résultats sont présentés Figure 4.12.

On constate une augmentation de la conductivité électrique en fonction du taux volu-mique de charges, en revanche, les valeurs obtenues ne correspondent pas à celles attendues si l’on compare ces résultats à ceux de la littérature [Corteset al., 2014]. De même, l’outil Lamkit a été validé dans le cadre de travaux de recherche à l’échelle laboratoire sur le concept de composite haute performance chargé d’AgNWs. Dans le cadre de cette étude, les résultats expérimentaux divergent des simulations effectuées. Ceci peut notamment

Figure 4.9 – Influence des propriétés des charges sur le comportement électrique du composite obtenue via Lamkit

Figure 4.10 – Résistomat à gauche et banc de mesure à droite pour la caractérisation de la conductivité électrique transverse

s’expliquer par les procédés utilisés qui diffèrent (échelle laboratoire et semi-industrielle) ainsi que les problématiques liées à une mauvaise répartition des charges lors de l’impré-gnation du matériau. De même, les particules utilisées présentent des facteurs de forme plus faible comparés à la littérature [Corteset al., 2014;Lonjonet al., 2012]. Ceci signifie-rait qu’il est nécessaire de travailler à l’échelle du VER et de reproduire la microstructure du composite si l’on souhaite pouvoir simuler les propriétés électriques. La caractérisation de la répartition des charges sera traitée par la suite.

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