Effect of graphene filler on the mechanical, electrical, and thermal properties of polymer composite

Charfi, Mohamed Ali (2020). Effect of graphene filler on the mechanical, electrical, and thermal properties of polymer composite. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Carbon fiber reinforced polymer materials (CFRP) form vital components in many types of vehicles such as airplanes, spacecraft, submarines, and transport vehicles. They achieve comparable mechanical properties to ordinary metals, but with a lower density. This allows vehicles to become lighter which reduces fuel consumption, air pollution, and related costs. Researchers have demonstrated that the failure of the composite part is often induced by a defect at the fiber/matrix interface. The matrix bond quality is a critical factor that dictates the overall structural properties. Thus, enhancing the matrix of a polymer composite presents an avenue to improve the mechanical properties of CFRP materials.

CFRP materials are carbon fiber-based composites. The electrical and thermal conductivities of carbon fiber are extremely high. However, polymetric matrices are insulative materials that dramatically reduce the electrical and thermal conductivities of the overall CFRP composite. The thermal conductivity is a pivotal factor in the machinability of CFRPs. Higher conductivity dissipates the heat from the workpiece/cutting tool. This reduces the cutting temperature and extends the service life of the cutting tool.

In this study, we aim to improve the CFRP mechanical properties and the thermal/electrical conductivities of the epoxy matrix through the incorporation of graphene particles into the matrix. In the first part of this work, the electrical properties of composites with five different graphene concentrations (0, 3, 5, 7, and 10 wt. %) were evaluated through the broadband dielectric spectroscopy (BDS). The results demonstrate a four-fold enhancement at 10 wt. % of graphene filler and the percolation threshold was achieved with only 7 wt. %. The thermal conductivity was assessed qualitatively through the differential scanning calorimetry (DSC). Samples with 10 wt. % of graphene showed around 16 % reduction in their specific heat capacity which can be translated into an enhancement of the thermal conductivity.

In terms of mechanical properties, a suitable manufacturing method of the CFRP was developed. This approach leads to a consistent fiber volume fraction with a minimum void level and a good graphene dispersion. With this process, the impact of the graphene on the mechanical properties of the CFRP can be accurately assessed. Seven graphene concentrations ranging from 0 wt. % to 3 wt. % were tested. Samples with 0.25 wt. % showed the best flexural strength and interlaminar shear strength with an improvement of 5%.

Titre traduit

Effet de la charge de graphène sur les propriétés mécaniques, électriques et thermiques du composite polymère

Résumé traduit

Les polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP) forment des composants essentiels dans de nombreux types de véhicules tels que les avions, les engins spatiaux, les sous-marins et les véhicules de transport. Ils atteignent des propriétés mécaniques comparables aux métaux ordinaires, mais avec une densité plus faible. Cela permet aux véhicules de devenir plus légers, ce qui réduit la consommation de carburant, la pollution de l'air et les coûts associés. Les chercheurs ont démontré que la défaillance de la pièce composite est souvent due à un défaut à d'interface fibre / matrice. La qualité de collage de la matrice est un facteur critique qui dicte les propriétés structurelles globales. Ainsi, l'amélioration de la matrice d'un composite polymère présente un vif intérêt pour bonifier les propriétés mécaniques des matériaux CFRP.

Les matériaux CFRP sont des composites à base de fibre de carbone. La conductivité électrique et thermique de la fibre de carbone sont extrêmement élevées. Cependant, les matrices polymère sont des matériaux isolants qui réduisent considérablement les conductivités électriques et thermiques de l'ensemble du composite CFRP. La conductivité thermique est un facteur clé dans l'usinabilité des CFRP. Une conductivité plus élevée dissipe la chaleur de la pièce usinée et de l'outil de coupe. Cela réduit la température de coupe et prolonge la durée de vie de l'outil de coupe.

Dans cette étude, nous visons à améliorer les propriétés mécaniques du CFRP et les conductivités thermique et électrique de la matrice époxy par l'incorporation de particules de graphène dans la matrice. Dans la première partie de ce travail, les propriétés électriques des composites avec cinq concentrations de graphène différentes (0, 3, 5, 7 et 10 wt. %) ont été évaluées par spectroscopie diélectrique à large bande (BDS). Les résultats démontrent une amélioration d’un facteur quatre entre 10-15 a 10-14 à 10 wt. % de charge de graphène et le seuil de percolation a été atteint avec seulement 7 wt. %. La conductivité thermique a été évaluée qualitativement par la calorimétrie différentielle à balayage (DSC). Les échantillons avec 10 wt. % de graphène ont montré une réduction d'environ 16% de leur capacité thermique spécifique qui peut se traduire par une amélioration de la conductivité thermique.

En termes de propriétés mécaniques, une méthode de fabrication appropriée du CFRP a été développée. Cette approche conduit à une fraction volumique de fibre cohérente avec un niveau de vide minimum et une bonne dispersion de graphène. Avec ce procédé, l'impact du graphène sur les propriétés mécaniques du CFRP peut être évalué avec précision. Sept concentrations de graphène allant de 0 wt. % à 3 wt. % ont été testés. L’échantillons avec 0,25 wt. % ont montré la meilleure résistance à la flexion et au cisaillement inter laminaire avec une amélioration de 5%.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master’s degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 87-101).
Mots-clés libres:	CFRP, graphène, conductivité thermique, conductivité électrique, propriétés mécaniques
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Chatelain, Jean-François
Codirecteur:	Codirecteur Lebrun, Gilbert
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	02 août 2021 23:39
Dernière modification:	02 sept. 2021 18:43
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2675

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