Nanocomposites

Le graphène est l’une des nanoparticules les plus intéressantes pour l’élaboration de nanocomposites du fait de ses propriétés hors du commun. Son élaboration, tout comme sa dispersion dans une matrice polymère, sont des étapes complexes pouvant être réalisées de plusieurs manières, donnant chacune des quantités et qualités de charges et de nanocomposites variables. Ce chapitre apporte une comparaison des différentes méthodes d’élaboration du graphène et de sa dispersion.

Les polymères nano-renforcés sont considérés comme des matériaux hétérogènes, pour lesquelles l’hétérogénéité est de taille nanométrique. Dans ce cas leur caractérisation morphologique requière l’utilisation d’outils expérimentaux capables d’accéder à ces échelles. La Microscopie Electronique en Transmission (MET) et la Diffraction des rayons X (DRX) aux petits et grands angles sont les deux techniques les plus adaptées. Le MET permet une observation directe de la microstructure à l’échelle du renfort, tandis que la DRX permet une observation dite indirecte et à des échelles inférieures à celles du MET. La combinaison des deux techniques permet de couvrir une fenêtre d’observation allant de l’architecture moléculaire à la dispersion des nanoparticules, ce qui est nécessaire dans le cas de ces matériaux.

La réduction de la taille du renfort tout en gardant la fraction volumique constante induit une augmentation considérable des interactions entre le renfort et la matrice qui l’entoure. La conséquence de ces interactions sur l’amélioration du comportement mécanique, physique et thermique du composite nécessite la mise en place de démarche adéquate pour une quantification fiable tout en comprenant l’origine de ces améliorations. Dans ce chapitre l’accent sera mis sur les possibles corrélations entre l’effet de taille et les propriétés améliorées des nanocomposites.

Les rôles de la taille et de la nature des charges dans les composites sont mis en évidence en comparant quatre types de charges : carbure de silicium, alumine, nitrure de bore et graphite. Leur nature chimique semble être prépondérante sur la taille car elle gouverne les interactions interfaciales charge/matrice qui se traduisent par de meilleures propriétés mécaniques.

La caractérisation à l’échelle de l’interface par microscopie électronique et des essais mécaniques in situ pour différents types de renfort carbonés dans une matrice polymère conduit à mieux comprendre la structure la matrice proche de l’interface, l’interphase, et permet de mesurer la performance de différents types de traitements de surface opérés sur le renfort.

Ce chapitre présente un cadre de modélisation multi échelle pour les composites graphène-polymère sur la base de calculs numériques appliqués à des volumes élémentaires représentatifs (VER). Les applications concernent la prédiction de la conduction électrique non linéaire et des propriétés mécaniques en tenant compte des interfaces graphène-polymère et de l’effet tunnel, et expliquer les faibles seuils de percolations observés expérimentalement.

L'utilisation de modèles informatiques comme outil de conception pour les nanocomposites polymères est discutée. En particulier, un modèle de calcul 3D est utilisé pour étudier la conductivité électrique de polymères chargés de nanotubes de carbone (CNT), de nanoplaquettes de graphène (GNP) et de particules hybrides CNT-GNP. Des lignes directrices qui aident à améliorer la conductivité électrique des composites polymères sont présentées sur la base des résultats de simulation.

Ce chapitre traite des matériaux polymériques électrostrictifs. Les questions fondamentales et les applications prometteuses seront traitées. Les récentes avancées en direction des matériaux à électrostriction géante dans le domaine seront passées en revue et certains obstacles de longue date à leurs applications pratiques seront également évoqués.