Croissance de nanotubes de carbone sur des fibres de carbone : application aux matériaux composites

Growth of carbon nanotubes on carbon fibres : application to composite materials

• Auteur / Autrice : Fabrice Laurent
• Direction : Bernard Durand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 23/06/2016
• Etablissement(s) : Mulhouse
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et mécanique textiles (Mulhouse) - Laboratoire de Physique et Mécanique Textiles

Mots clés

Mots clés contrôlés

Fibres de carbone

Nanotubes

Mots clés libres

Nanotubes de carbone

Procédé flamme

Fibres de carbone

Croissance

Matériau composite

Conductivité électrique

Propriétés mécaniques

Procédé continu

Carbon nanotubes

Flame process

Carbon fibers

Growth

Composite material

Electrical conductivity

Mechanical properties

Continuous process

Résumé

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse s’est inscrit dans le cadre du développement de la technologie flamme oxyacétylénique pour la synthèse de nanotubes de carbone (NTC) au Laboratoire de Physique et Mécanique Textile. La simplicité et l’originalité de ce procédé en font un candidat très sérieux pour envisager la mise en œuvre d’un pilote industriel pour la production de fibres de renforcement multidimensionnelles, notamment composées de fibres de carbone sur lesquelles ont cru de nanotubes de carbone. Ce travail a consisté à :- Réaliser une étude bibliographique sur les procédés de croissance de NTC,- Etablir la preuve de concept de la croissance des nanotubes sur des fibres,- Concevoir et réaliser un dispositif assurant une bonne maîtrise de la croissance,- Mettre au point le procédé de croissance sur des fibres,- Identifier les principaux paramètres influençant la qualité et la quantité des nanotubes,- Caractériser les nanotubes obtenus,- Faire croître ces nanotubes sur des fibres de carbone,- Intégrer des nouveaux matériaux multidimensionnels dans des matrices afin de réaliser des matériaux composites structurels,- Caractériser ces matériaux,- Décrire les mécanismes de croissance dans la flamme.Notre effort a porté sur le traitement des fibres avant exposition à la flamme et à évaluer les conditions de croissance des NTC en faisant varier notamment, la température d’exposition des fibres et la qualité des catalyseurs de croissance. Après synthèse des NTC sur les fibres de carbone et leur caractérisation nous avons réalisé des matériaux composites. Nous avons mesuré que les NTC améliorent significativement le module d’Young des composites mais altèrent sensiblement la contrainte à la rupture. Les propriétés électriques longitudinales et transversales sont améliorées d’un facteur 8 et 5 respectivement. Nous avons proposé des mécanismes de croissance des NTC. Ces mécanismes sont directement en relation avec propriétés physiques et chimiques des particules de catalyseur.

The research presented in this work aims to develop the oxyacetylene flame method for the Carbon Nanotubes (CNT) synthesis at the Laboratory of Physics and Mechanics of Textiles. The simplicity and the degree of innovation of this process make of it a serious candidate for manufacturing a pilot in order to produce new kind of tridimensional material made of CNT having grew on carbon fibres. This work consisted of:- Make a bibliographic study,- Establish a proof of concept of the growth of CNT,- Design and manufacture a device allowing process control,- Setup the process of growth on the fibres,- Identify the main parameters influencing CNT quality and quantity,- Characterize CNT,- Assume the CNT growth on carbon fibers,- Integrate these multidimensional materials into an organic matrix to realize structural composite materials,- Characterize these materials,- Describe and explain the growth mechanism in the flame.First, we focused our work on the fibres chemical treatment before flame exposition to evaluate the NTC growth conditions by varying notably, the fibres exposition temperature and the quality of the catalysts. After, the NTC syntheses on carbon fibres (CF) was done. The multidimensional product was characterized par various examinations and analyses. Composite materials were molded with epoxy resin to evaluate mechanical properties of NTC-FC. Young’s modulus was increased and tensile strength at break decreased. Transverse and longitudinal electrical properties were increased by 500 to 800 % respectively. Finally, we proposed NTC growth mechanisms. They are directly linked to the chemical and physical catalyst particles properties.