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RÉSUMÉ
Les nanotubes de carbone sont de longs cylindres graphitiques de diamètre inférieur à 100 nm. Ils sont potentiellement des acteurs indispensables d’un renfort mécanique des composites. Cet article décrit le contexte de ces composites. Une première approche est ainsi proposée sur les nanotubes de carbone : leur structure, leur texture et leurs propriétés mécaniques sont explicitées. Un paragraphe est ensuite consacré aux composites à matrice polymère renforcée par des nanotubes (renforcement par fibres, effet de l’orientation, effets d’enchevêtrement, adhésion, etc). Pour terminer, les détails de la mise en oeuvre et quelques réalités expérimentales sont proposés.
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INTRODUCTION
Le terme « nanotubes de carbone » désigne de longs cylindres graphitiques de diamètre inférieur à 100 nm. Leur caractère unidimensionnel associé à la force des liaisons entre atomes de carbone leur confèrent, sur le plan théorique, des propriétés mécaniques si exceptionnelles qu'ils sont considérés, depuis leur découverte, comme le nec plus ultra des renforts pour matériaux composites.
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Mise en œuvre et réalités expérimentales dans les matrices polymères
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4. Composites à matrice polymère renforcés par des nanotubes
4.1 Renforcement par des fibres longues
L'expérience montre qu'il est plus efficace, à masse égale de renfort, d'utiliser des fibres que des particules sphériques pour augmenter le module d'élasticité d'un polymère. L'effet est d'autant plus marqué que les fibres sont orientées dans la direction de sollicitation. On obtient dans ce cas un matériau composite anisotrope, avec un module longitudinal supérieur au module transverse. On distingue généralement les composites à fibres longues des composites à fibres courtes, car les méthodes de préparation et la modélisation de leurs propriétés s'avèrent sensiblement différentes. Ainsi les composites à fibres longues sont fabriqués par imprégnation d'une matrice fibreuse tissée, alors que les composites à fibres courtes relèvent d'un processus de mélange entre le polymère à l'état liquide et les fibres courtes, suivi le plus souvent d'une extrusion pour orienter les fibres.
La loi des mélanges pour des fibres longues orientées et réparties de manière homogène dans la matrice prédit un module longitudinal (selon l'axe des fibres) du composite tel que :
avec :
- Yf :
- module d'Young des fibres,
- φf :
- fraction volumique des fibres,
- Ym :
- module d'Young de la matrice.
Un empilement compact des fibres permet d'atteindre des valeurs du module dépassant celles des métaux avec des résines époxydes renforcées par des fibres de carbone, cela pour une masse totale bien moindre. De tels matériaux sont très prisés dans l'industrie aéronautique pour des raisons évidentes. L'objectif ultime est de remplacer les fibres par des nanotubes, ce qui permettrait d'associer fort module et grande résistance à la rupture. Des procédés de filage des nanotubes en sortie de réacteur de synthèse sont actuellement à l'étude dans plusieurs laboratoires.
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Composites à matrice polymère renforcés par des nanotubes
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - BRÉCHET (Y.), ASHBY (M.F.), DUPEUX (M.), LOUCHET (F.) - Choix et usage des matériaux - [T 5 100]. Base documentaire « Conception et production » (1996).
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(2) - COSTA (P.) - Nanomatériaux. Structure et élaboration - Nanomatériaux- Structure et élaboration[NM 3 010]. Base documentaire « Nanotechnologies » (2001).
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(3) - GLOAGUEN (J.-M.), LEFEBVRE (J.-M.) - Nanocomposites polymères/silicates en feuillets - Nanocomposites polymères/silicates en feuillets[NM 3 050]. Base documentaire « Nanotechnologies » (2007).
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(4) - BERGERET (A.), KRAWCZAK (P.) - Liaison renfort/matrice - [AM 5 305]. Base documentaire « Plastiques et Composites » (2006).
-
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-
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