Présentation

Article

1 - CONTEXTE

2 - PREMIÈRE APPROCHE

3 - LES NANOTUBES DE CARBONE

4 - COMPOSITES À MATRICE POLYMÈRE RENFORCÉS PAR DES NANOTUBES

5 - MISE EN ŒUVRE ET RÉALITÉS EXPÉRIMENTALES DANS LES MATRICES POLYMÈRES

6 - CONCLUSION

Article de référence | Réf : NM3100 v1

Les nanotubes de carbone
Renfort mécanique des composites par les nanotubes de carbone

Auteur(s) : Jean-Paul SALVETAT, Philippe POULIN

Relu et validé le 25 août 2023

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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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ABSTRACT

Mechanical reinforcement of composites with carbon nanotubes

Carbon nanotubes are long graphite cylinders with a diameter of less than 100 nm. They are potentially vital in the mechanical reinforcement of composites. This article describes the context of these composites. An initial introduction to carbon nanotubes is proposed; their structure, texture and mechanical properties are explained. A paragraph is subsequently dedicated to nanotube-reinforced polymer matrix composites (fiber reinforcement, the orientation effect, the overlapping arrangement, adhesion, etc.). Implementation details and a number of experimental samples conclude this article.

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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DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v1-nm3100


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3. Les nanotubes de carbone

3.1 Structure et texture

Il est important d'introduire dès maintenant les différents types de nanotubes de carbone synthétisés et commercialisés par différents fabricants, chacun disposant d'une recette propre, susceptible de modifier singulièrement les paramètres physico-chimiques des produits bruts.

Comme indiqué plus haut, les nanotubes sont des cylindres graphitiques, c'est-à-dire qu'ils sont en principe constitués uniquement d'atomes de carbone hybridés sp2 et formant des réseaux d'hexagones. La plupart des articles de vulgarisation sur les nanotubes de carbone les introduisent sous une forme édulcorée, images de synthèse en trois dimensions à l'appui, en négligeant les défauts pourtant présents en quantité (figure 1). Rappelons que l'outil principal pour caractériser les nanotubes au laboratoire est la microscopie électronique, qui projette une image en deux dimensions de ces petits objets. Pour accéder à la troisième dimension, il faut utiliser les microscopies à effet tunnel et à force atomique. La troisième dimension est, en théorie, accessible par la microscopie électronique à transmission par reconstruction numérique à partir d'images à deux dimensions inclinées à différents angles. En pratique, l'opération est tellement lourde qu'elle est inutilisable. Parmi les défauts présents dans les nanotubes, pouvant avoir une influence notable sur les propriétés mécaniques, on distingue les lacunes (des atomes du plan sont manquants) et leurs agglomérats, et les défauts topologiques ; les atomes de carbone peuvent former, par exemple, des pentagones ou des heptagones plutôt que des hexagones.

Les lacunes entraînent une diminution de la résistance à la rupture, alors que les défauts topologiques, lorsqu'ils induisent une courbure locale de la couche de graphite, peuvent diminuer le module élastique effectif d'un nanotube, comme on le verra plus loin.

Les pentagones, supposés à l'origine des courbures observées par microscopie électronique à transmission (MET), ont été détectés par microscopie à effet tunnel car ils induisent une modification de la densité électronique locale.

  • Nanotubes multiparois

    Le nanotube multiparoi, le premier découvert dans la famille des nanotubes, est formé de plusieurs couches concentriques. Comme dans le graphite, chaque couche interagit avec ses voisines par l'action des forces de Van der...

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BIBLIOGRAPHIE

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  • (2) - COSTA (P.) -   Nanomatériaux. Structure et élaboration  -  Nanomatériaux- Structure et élaboration[NM 3 010]. Base documentaire « Nanotechnologies » (2001).

  • (3) - GLOAGUEN (J.-M.), LEFEBVRE (J.-M.) -   Nanocomposites polymères/silicates en feuillets  -  Nanocomposites polymères/silicates en feuillets[NM 3 050]. Base documentaire « Nanotechnologies » (2007).

  • (4) - BERGERET (A.), KRAWCZAK (P.) -   Liaison renfort/matrice  -  [AM 5 305]. Base documentaire « Plastiques et Composites » (2006).

  • (5) - GUILLON (D.) -   Fibres de verre de renforcement  -  [A 2 110]. Base documentaire « Matériaux fonctionnels » (1995).

  • ...

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