Cette thèse consiste en une étude comparative des propriétés thermomécaniques de composites tissés à matrice thermoplastique (PEEK ou PPS) et thermodurcissable (époxy). Une analyse bibliographique a permis la comparaison les comportements des ces stratifies en fonction de la nature de la matrice, de la sollicitation et des conditions environnementales. Une étude expérimentale a conduit à une base de données des trois matériaux sous diverses sollicitations mécaniques (essais monotones élémentaires et structures) et différentes conditions environnementales (température et V.H.). Des essais sur assemblages boulonnes (simple et double recouvrement) ont également été réalisés. Une technique de mesure de champ par corrélation d'images numériques a permis d'étudier le comportement de stratifies troues. Enfin, un modèle de comportement élastoplastique orthotrope de stratifies tisses a matrice thermoplastique a été implémenté dans le code E.F. cast3m et valide pour différentes températures.

Cellulose-based materials are widely used in a number of important applications (e.g. paper, wood, textiles). Additional developments are suggested by the growing interest for natural fibre-based composite and nanocomposite materials. The motivation is not only in the economic and ecological benefits, but is also related to advantageous properties and characteristics. The objective of this thesis is to provide a better understanding of process-structure-property relationships in some novel cellulose network materials with advanced functionalities, and showing potential large-scale processability. An important result is the favourable combination of mechanical properties observed for network-based cellulose materials. Compression-moulding of cellulose pulp fibres under high pressure (45 MPa) and elevated temperature (120 – 180 oC) provides an environmentally friendly process for preparation of stiff and strong cellulose composite plates. The structure of these materials is characterized at multiple scales (molecular, supra-molecular and microscale). These observations are related to measured reduction in water retention ability and improvement in mechanical properties. In a second part, cellulose nanofibrils (NFC) are functionalized with in-situ precipitated magnetic nanoparticles and formed into dense nanocomposite materials with high inorganic content. The precipitation conditions influence particle size distributions, which in turn affect the magnetic properties of the material. Besides, the decorated NFC network provides high stiffness, strength and toughness to materials with very high nanoparticle loading (up to 50 vol.%). Subsequently, a method for impregnation of wet NFC network templates with a thermosetting epoxy resin is developed, enabling the preparation of well-dispersed epoxy-NFC nanocomposites with high ductility and moisture durable mechanical properties. Furthermore, cellulose fibrils interact positively with the epoxy during curing (covalent bond formation and accelerated curing). Potential large scale development of epoxy-NFC and magnetic nanocomposites is further demonstrated with the manufacturing of 3D shaped compression-moulded objects. Finally, the wet impregnation route developed for epoxy is adapted to prepare UV-curable NFC nanocomposite films with a hyperbranched polymer matrix. Different chemical modifications are applied to the NFC in order to obtain moisture durable oxygen barrier properties. / <p>QC 20131111</p>

Carbon Nanotubes are thought to have tremendous potential as reinforcements for the next generation of composite materials. In the past decade, the enhancing effects of the nanotubes on the mechanical, electrical as well as multi-functional properties of polymer composites have been reported. However, the same nanotubes/polymer composites investigated by different research groups, in many cases, do not show a good agreement with one another. The root cause of this variability is believed to lie in the processing methodology employed to prepare the composites. Before one can propose an ideal and systematic processing condition, it is imperative to have a fundamental understanding of the effect of these nanotubes on the processing of the nanotube-based composites. In this study, the effect of 0.2wt.% functionalized single walled carbon nanotubes on the various thermo mechanical and thermo chemical properties of aerospace grade epoxy was investigated. Namely, the thermal degradation, rheological behavior, cure kinetics as well as the thermal expansion behavior of the epoxy were addressed. In addition, the effect of the application small quantity of nanotube/epoxy composite film on the interlaminar shear strength (ILSS) of a conventional laminated carbon fibre/epoxy prepregs was also investigated. The characterization results show that the presence of the nanotubes has a very significant effect on some of the inherent physical and chemical properties of the epoxy. The presence of these nanotubes leads to a delay in the degradation temperature of the epoxy. The viscosity sees a seven-fold increase at room temperature and the resin also gels at a lower temperature in the presence of the nanotubes. At the same time, the total heat of reaction is also lowered on addition of the nanotubes. The mechanical test, however, shows that the addition of the nanotube/epoxy film does not affect the ILSS of the laminated carbon fibre/epoxy composite. This ILSS value is also found to be dependant on the controlled alignment of the nanotubes and the method of application of the film at the interfaces of the laminates. Finally, it was observed that the nanotubes, when used in such low contents, also had no effect on the thermo mechanical properties of the epoxy. / Les nanotubes de carbone sont considérés comme ayant un potentielénorme pour assurer le rôle de renforts dans la prochaine génération de matériauxcomposites. Dans les décennies précédentes, les effets des nanotubes surl'amélioration des propriétés mécaniques, électriques et multi-fonctionnelles despolymères ont été révélés. Par contre, dans la plupart des cas, les études réaliséespar différents groupes de recherche et portant sur les mêmes composites faits depolymère renforcé de nanotubes ne présentent pas toutes des résultatscomparables. La cause majeure de cette variabilité est la méthodologie utiliséelors du procédé de fabrication de ces composites. Avant que quiconque ne suggèreune méthodologie idéale et systématique, il est impératif de comprendre les basesfondamentales de l'effet des nanotubes sur le procédé de fabrication. Dans cetterecherche, les effets des nanotubes de carbone à paroi simple sur les propriétésthermo mécaniques et thermo chimiques d'une résine époxy de gradeaéronautique ont été investigués. Les caractéristiques étudiées comprennent ladégradation thermique, le comportement rhéologique, la cinétique depolymérisation, ainsi que l'expansion thermique. L'effet de l'application d'unfilm de nanotube/époxy sur la résistance interlaminaire au cisaillement aégalement été étudié avec un préimprégné conventionel de fibre de carbone etd'époxy. Les résultats de caractérisation montrent que les nanotubes ont un effetsignificatif sur certaines propriétés physiques et chimiques inhérentes à l'époxy.La présence des nanotubes crée un délai dans la température de dégradation del'époxy. La viscosité de la résine est 7 fois plus élevée à la température de la pièceet sa température de gélification est inférieure. De plus, la chaleur totale deréaction est diminuée. Par contre, les tests mécaniques montrent que l'applicationd'un film de nanotube/époxy ne cause pas de changement dans la résistanceinterlaminaire au cisaillement d'un préimprégné de fibre de carbone et d'époxy.Par ailleurs, cette valeur de résistance est dépendante de l'alignement desnanotubes et de la méthode d'application du film sur les interfaces du laminé.Finalement, il a été observé que les nanotubes n'ont aucun effet sur les propriétésthermo mécaniques.

Carbon nanotubes (CNTs) are a relatively new allotrope of carbon that possess very unique and exciting physical characteristics. However, much is still unknown regarding their physical structure and chemical reactivity. The focus of this dissertation is to utilize the chemical modification of these filamentous carbon structures as a probe to investigate the structure and reactivity of carbon nanotubes. Also discussed is the ability of CNTs, once chemically modified, to interact with specific polymer matrices and how the addition of modified and unmodified CNTs affects the physical properties of these matrices.

L'objectif de notre étude est de mettre en évidence les synergies existantes entre les différents facteurs de vieillissement lors de la dégradation d'un revêtement polymère modèle, représentatif d'une peinture anticorrosion.Notre travail a consisté à suivre le vieillissement hygrothermique du système DGEBA/TETA sous forme de film libre et de revêtement déposé sur substrat acier dans différentes solutions (eau pure et NaCl 3%) pour différentes températures et contraintes mécaniques visco-élastique appliquées. Nos résultats ont montré que le programme de cuisson affectait les propriétés physico-chimiques et mécaniques du système initial et que l'absorption d'eau, non homogène, suivait une loi non-Fickienne, suite à un phénomène de gonflement.La prise en eau et la diffusion ont été caractérisées par gravimétrie et spectroscopie d'impédance électrochimique. Nos résultats montrent que les propriétés barrière du revêtement diminuent avec la quantité d'eau absorbée et avec la température de vieillissement. Cependant, la contrainte plane appliquée sur le système tend à contrarier cet effet. La formalisation de nos observations expérimentales dans le cadre d'une approche thermodynamique a montré l'effet prépondérant de la partie entropique par rapport à la partie enthalpique de l'énergie d'activation des processus de transport de l'eau, en raison de l'orientation des chaînes sous l'action de la contrainte. De plus, une diminution de la permittivité relative du revêtement sec a été observée en fonction de la température et de la contrainte appliquée, indépendamment de son signe (tension ou compression). Dans ce cas, la contribution enthalpique semble être prépondérante.

No description available.

Actuellement, les moules utilisés pour la réalisation de pièces composites aéronautiques sont à base d'alliages métalliques (FeNi, Invar) très appréciés pour leur faible coefficient de dilatation. Toutefois, ces alliages présentent plusieurs inconvénients (poids, prix, délais de livraison) qui incitent les industriels à se toumer vers d'autres matériaux. Dans ce contexte, les matériaux composites époxy/fibres de carbone sont une altemative intéressante compte tenu de leurs propriétés mécaniques proches del'Invar tout en alliant légèreté et facilité de mis en æuvre. Cependant, avec de tels moules des phénomènes d'adhésion risquent d'intervenir entre la résine époxyde infusée, constituant la future pièce, et le moule lui-même composé d'une résine époxyde. Leur nature proche est susceptible de favoriser des phénomènes de diffusion ou d'interactions moléculaires impliqués dans l'adhésion des polymères.Les travaux présentés dans cette thèse ont donc pour but de minimiser l'ensemble des phénomènes favorisant I'adhésion entre deux résines époxydes (l'une étant réticulée au contact de la seconde). Pour cela, les travaux sont concentrés sur la modification pérenne de la physicochimie ainsi que de la topographie de surface de la résine époxyde composant le moule. Ces deux paramètres sont en effet identifiés comme indispensables pour l'obtention de surfaces au caractère faiblement mouillant, pré-requis pour une bonne adhésion avec un tiers corps. Dans un premier temps, la physicochimie de surface de la résine du moule a étémodifiée durablement grâce à un additif fluoré préalablement greffé à la résine époxyde. Le mécanisme de fluoration de la surface a été étudié et une étape cruciale de migration de l'additif fluoré vers I'interface air / résine au cours de réticulation a été identifiée. Dans un deuxième temps, une rugosité contrôlée à l'échelle micrométrique est appliquée à la surface de la résine ainsi modifiée. Les propriétés de surface qui en découlent sont étudiées et montrent une accentuation du caractère faiblement mouillant des résines fluorées. Enfin, les propriétés d'interfaces entre les résines époxydes modifiées constituant le moule et une résine époxyde vierge représentant une pièce injectée sont étudiées via un test mécanique. Les résultats obtenus (force et type de rupture) sont mis en relation avec les propriétés superficielles de la résine époxyde modifiée.

Electrical conductive adhesives (ECAs) containing silver filler and polyaniline co-filler were characterized for their electro-mechanical properties. Polyaniline is a conductive polymer and has a moderate conductivity in between those of the silver and epoxy. Incorporation of polyaniline (μm sized) in silver-epoxy facilitated the electrical conduction in ECAs and reduced the percolation threshold- a minimum volume of filler necessary to initiate the conduction. It also prevented the localization of charge carriers due to aggregation of silver filler particles. ‘Bridging effect’ was observed due to addition polyaniline in which the polyaniline enhanced the tunneling of electrons over the silver filler particles. We have investigated the polyaniline co-fillers as a promising alternative way to tune the mechanical and electrical properties of the ECAs and have provided a detailed analysis of the electro-mechanical properties of silver-epoxy (Ag-epoxy) and silver-polyaniline-epoxy (Ag-PANI-epoxy) system in both partially-cured/ viscoelastic and fully-cured states. Analysis of electro-mechanical properties of silver-epoxy and silver-polyaniline-epoxy also provided the insights into electrical contact resistance of ECAs under compressive force. Electro-mechanical properties of ECAs were measured ‘in-situ’ using micro-indentation technique. We also synthesized the electrically conductive and highly crystalline nanotubes of polyaniline by mini-emulsion polymerization of aniline. The motivation behind the synthesis of polyaniline was to propose a potential filler/co-filler for replacement of metallic filler in ECAs. Electrical conductivity of polyaniline nanotubes was tuned by in-situ doping using hydrochloric acid as a dopant. Increase in dopant caused the polyaniline crystallite to grow along (400) plane. Optical, structural, electrical and thermal properties of polyaniline nanotubes are reported with varying amount of dopant. We fabricated the flexible electrically conductive coating of polyaniline tubes with uniform dispersion of polyaniline. Electrical performance of as-synthesized flexible coating is also revealed.

The goal of this research is to develop new approaches for the improvement of the properties of polymer carbon nanotube composites by effectively aligning and dispersing the CNT's in the polymer matrix. Specifically, this researched explored at how to mediate the problem of carbon nanotube insolubility in a matrix material. This was accomplished by assessing the effects of three different dispersing agents and two different alignment methods on the final composite properties. In previous research, the dispersing agents were found to either adequately disperse the carbon nanotubes or improve the mechanical properties of the composite material.4-6 Thus, comparing the three dispersing agents in different matrix materials and different processing methods can lead to a new understanding of interfacial interactions within the different composite materials. This understanding can then lead to the creation of more effective carbon nanotube composites that both adequately disperse the carbon nanotubes and improve the mechanical properties.

The present work investigates the effect of carbon nanotube (CNT) inclusions on the electrical and thermal conductivity of a thermoset epoxy resin. The characterization of electrical and thermal conductivity of CNT/epoxy composites is presented. Pristine, oxidized, and fluorine-functionalized unpurified CNT mixtures ("XD grade") were dispersed in an epoxy matrix, and the effect of stirring rate and pre-curing of the epoxy on the dispersion of the CNTs was evaluated. In order to characterize the dispersion of the CNTs at different length scales, Optical Microscopy (OM), Raman Spectroscopy, and Scanning Electron Microscopy (SEM) was performed. Samples of varying CNT weight fractions were fabricated in order to find the effect of CNT weight fraction on thermal and electrical conductivity. Electrical conductivity was measured using a dielectric spectrometer, and thermal conductivity was determined by a transient plane source thermal analyzer. It was found that electrical conductivity increases by orders of magnitude for the pristine and oxidized XD CNT composites relative to the neat epoxy matrix, while fluorinated XD CNT composites remain electrically non-conductive. A small, but significant, increase in thermal conductivity was observed for pristine, oxidized, and fluorinated XD CNT composites, showing a linear increase in thermal conductivity with increasing CNT weight fraction. Pristine XD CNTs were ball-milled for different times in order to reduce the degree of agglomeration and entanglement of CNTs, and composites were fabricated using the same technique as with non-milled XD CNTs. Using ball-milled CNTs shows improved dispersion but results in an electrically non-conductive composite at the CNT weight fractions tested. The thermal conductivity of the ball-milled CNT samples shows an initial increase higher than that of non-milled pristine, oxidized, and fluorinated XD CNTs, but remains constant with increasing CNT weight fraction. A micromechanics model based on the composite cylinders method was implemented to model the electrical and thermal conductivity of the CNT/epoxy composites. Nanoscale effects in electrical and thermal conduction, such as electron hopping and interface thermal resistance, respectively, were incorporated into the model in order to accurately predict the acquired results. Modeling results show good agreement with acquired experimental results.