Piezoresistive behavior of carbon nanotubes reinforced elastomeric composites

Comportement piézorésistif de composites à matrice élastomère renforcée par des nanotubes de carbone

Nicolas Penvern (1, 2)

1 LaMé - Laboratoire de Mécanique Gabriel Lamé
2 DivS - Dynamique interactions vibrations Structures

The objectives of the thesis are to characterize and model the piezoresistive behavior of carbon nanotubes elastomeric composites under quasi-static and dynamic compression. This work was supported by the CLEBER project partners: the Gabriel Lamé laboratory and ATCOM Télémétrie. In particular, we have sought the microstructural mechanisms at the origin of the piezoresistive behavior of such composites. An increase of the electrical resistance was observed under quasi-static compression forces. This behavior is attributed to reorientations of the CNT network during the test, leading to an increase of the distances between CNT. Furthermore, the carbon nanotube weight fraction was related to the electrical sensitivity of the composites. Dynamic compression tests were carried out on a Split Hopkinson Pressure Bars apparatus. High strain rates in these tests cause damage of the composites, characterized by a dramatic increase in the electrical resistance and a loss in the elastic modulus. To model the piezoresistive behavior, the carbon nanotube network is described by a resistor network representation. The change of the conductive network, i.e. movements of carbon nanotubes, is determined using simulations on the LS-Dyna finite element code. A decoupling hypothesis between the matrix and the carbon nanotubes is used to compute the displacements of the carbon nanotubes.

L’objectif de la thèse est de caractériser et modéliser le comportement piézorésistif de composites à matrice élastomère renforcée par des nanotubes de carbone (NTC) en compression quasi-statique et dynamique. Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet CLEBER, associant le laboratoire de mécanique Gabriel Lamé et l’entreprise ATCOM Télémétrie. Il s’agit notamment d’identifier les mécanismes microstructuraux à l’origine de la piézorésistivité de tels composites. Une augmentation de la résistance électrique est observée pendant les essais de compression quasi-statique. Cette augmentation est associée à une réorientation du réseau de NTC durant l’essai, conduisant à une augmentation de la distance entre NTC. Par ailleurs, une corrélation entre la fraction massique en nanotubes de carbone et la sensibilité électrique des composites a été établie. Des essais de compression dynamiques ont été réalisés sur un banc de barres de Hopkinson. Les vitesses de déformation élevées utilisées dans ces essais sont à l’origine d’un endommagement des composites, caractérisé par une augmentation de la résistance électrique et une diminution de la rigidité. Pour modéliser le comportement piézorésistif, le réseau conducteur de nanotubes de carbone est modélisé par un réseau équivalent de résistances. La modification du réseau conducteur est déterminée à partir de simulations par éléments finis avec le logiciel LS-Dyna, en utilisant une hypothèse de découplage entre la matrice et les nanotubes de carbone.

Mots clés: Composites; Elastomer; Carbon nanotubes; Piezoresistivity; Damage

Mots clés: Elastomères; Piézorésistivité; Endommagement; Nanotubes de carbone; Composites

Domaines: Mécanique des matériaux [physics.class-ph]

Nicolas Penvern. Comportement piézorésistif de composites à matrice élastomère renforcée par des nanotubes de carbone. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. Université d'Orléans, 2020. Français. ⟨NNT : ⟩. ⟨tel-02859876⟩