Nanofibres de nylon 6 courtes électrofilées pour améliorer la résistance aux dommages des composites de carbone

21 mars 2023

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par l'Université de Newcastle à Singapour

Les composites en fibre de carbone sont les matériaux de structure préférés en raison de leur résistance et de leur module spécifiques élevés. La construction stratifiée des composites de carbone et la nature anisotrope les rendent cependant sensibles aux charges externes. Puisqu'une matrice fragile contrôle les propriétés dans et hors de la direction du plan, les régions interlaminaires riches en résine sont particulièrement sensibles à la fissuration de la matrice. Ces dommages naissants évoluent finalement vers une fracture limitant la durée de vie, telle qu'un délaminage sous une charge de mode II.

Plusieurs techniques ont été employées pour arrêter la genèse et la propagation des fissures, améliorant ainsi la résistance aux dommages des composites. L'une des approches les plus prometteuses consiste à modifier l'époxyde avec des nanoparticules en raison de leur rapport surface/volume élevé et de leur capacité à contrer les fissures à l'échelle du micron. Cependant, les nanoparticules sont intimement associées à l'agglomération dans la microstructure qui peut servir de sites d'initiation de dommages fragilisés.

Des nanofibres courtes de nylon 6 électrofilées (figure a) ont été proposées comme renfort époxy alternatif car leurs propriétés mécaniques globales étaient comparables à celles de l'époxy. On s'attendait à ce que les nanofibres à surface et rapport d'aspect élevés introduisent des interfaces absorbant l'énergie et des mécanismes de ténacité à l'échelle nanométrique (figure b). La fabrication impliquait le filage et le raccourcissement des nanofibres suivis de la modification de l'époxy pour fabriquer un composite de fibres de carbone à l'aide d'un ensachage sous vide. Les échantillons ont été testés sous une charge d'indentation quasi-statique conformément à la norme ASTM D6264/D6264M-17.

Les résultats ont montré une amélioration de 8,7, 8,8 et 53 % de la force maximale, du déplacement et de la ténacité élastique à une concentration optimale en nanofibres. La croissance des dégâts directionnels externes a été supprimée et la zone de dégâts a légèrement augmenté. À une concentration optimale en nanofibres, la zone délaminée est réduite de 12,6 %. La suppression de la défaillance des fibres de compression et l'amélioration de la liaison interlaminaire ont été créditées pour offrir des performances supérieures.

Ces composites de carbone renforcés de nanofibres électrofilées nouvellement développés tentent de résoudre le problème classique de la faible résistance aux dommages des composites couramment signalés dans les applications aérospatiales, marines et automobiles. L'amélioration de la résistance aux dommages est susceptible de réduire les coûts d'inspection non destructive et l'adoption de structures composites à faible facteur de sécurité.

Le travail a été dirigé par Usaid Ahmed Shakil, du Center for Advanced Composite Materials (CACM), Universiti Teknologi Malaysia, soutenu par six membres de l'équipe, à savoir les professeurs Shukur Bin Abu Hassan, Yazid Bin Yahya, Muhammad Asyraf Bin Muhammad Rizal, Ahmad Ilyas Bin Rushdan , Mat Uzir bin Wahit, de l'Universiti Teknologi Malaysia, et Mohd Ruzaimi Mat Rejab, de l'Universiti Malaysia Pahang. Il a été publié dans la revue Polymer Composites.

Le professeur associé Kheng Lim Goh de l'Université de Newcastle à Singapour, spécialisé dans la technologie des matériaux, a agi en tant que conseiller technique sur ce projet. Le professeur agrégé Goh remarque : « Les composites en fibre de carbone sont désormais bien adoptés dans les industries aéronautique et automobile en raison de leur résistance et de leur rigidité spécifiques élevées, permettant aux avions et aux véhicules d'être plus économes en carburant et plus rentables. Cependant, des accidents sont inévitables et lorsque cela se produit, la réparation peut être coûteuse en termes de matériaux et de délai d'exécution.La modification du composite en fibre de carbone pour qu'il devienne plus résistant aux chocs est essentielle pour atténuer le problème.

"Je suis vraiment ravi que l'équipe ait réussi à développer cette méthode pour améliorer les propriétés d'impact des composites en fibre de carbone. Je suis vraiment ravi que la méthode et les résultats aient été publiés."

Plus d'information: Usaid Ahmed Shakil et al, Nanofibres courtes électrofilées pour améliorer la résistance aux dommages des composites en fibre de carbone, Polymer Composites (2023). DOI : 10.1002/pc.27246

Fourni par l'Université de Newcastle à Singapour