Plasma deposition at atmospheric pressure and characterization of nanostructures

L’incorporation de fibres de carbone greffées avec des nanotubes de carbone (CNTs-CF) dansune matrice polymère permet d’obtenir des matériaux avec des propriétés mécaniques, des propriétés de conductivité électrique et de conductivité thermique notamment améliorées. Ces matériaux sont des candidats idéaux pour être intégrés dans des applications fonctionnelles et même structurales dans les domaines de l’industrie aéronautique, de l’industrie automobile, de la défense et de l’industrie des produits pour le sport. L’objectif (des travaux menés au cours) de cette thèse de Doctorat est d’établir une technique efficace de production de matériaux composites possédant des propriétés multifonctionnelles. Nous étudions l’adaptation d’une technique de dépôt de polymère par plasma sur la surface de fibres de carbone (CFs) puis sur la surface de CNT-CFs. Le dépôt de polymère par plasma sur la surface CNT-CFs est ici recherché non pour des raisons de sécurité, certainement avantageuses, mais pour conférer les propriétés des nanotubes de carbone à l’ensemble du matériau composite. Dans le premier chapitre, nous proposons un tour d’horizon des 2 sujets majeurs de notre étude : (1) les matériaux composites et leurs applications (2) les applications des plasmas pour procédés de traitement des matériaux. Dans le deuxième chapitre, nous présentons la procédure expérimentale du traitement plasma des fibres, ainsi que le schéma détaillé du mécanisme permettant de manipuler les échantillons. Nous précisons aussi les procédures suivies pour la caractérisation chimique, électrique et mécanique des fibres et des matériaux composites. Dans le troisième chapitre, nous évaluons les effets des variations de 2 et de 3 paramètres (par exemple la puissance plasma utilisée, la durée d’exposition et la nature des précurseurs) sur la résistivité électrique des fibres de carbone (CFs) et des fibres de carbone greffées de nanotubes de carbone (CNTs-CF) par la méthodologie des surfaces de réponse. D’après cette étude pour l’optimisation du procédé, nous étudions les principaux facteurs et les interactions entre les différents paramètres. Nous montrons les variables (ou facteurs) qui ont la plus grande influence sur la résistivité électrique sur les 2 types de fibres de carbone. Dans le quatrième chapitre, nous traitons des études de caractérisations des fibres de carbone par XPS (composition chimique), MEB (microstructure), AFM (topologie, rugosité) et TGA (stabilité thermique, cinétique de dégradation). Il s’agit de fournir une meilleure compréhension des structures obtenues sur de telles fibres dans des domaines allant du macroscopique jusqu’au niveau de l’atome. Nous analysons aussi des échantillons avant traitement pour comparer les différences morphologiques et chimiques avec les échantillons traités par plasma. Finalement, dans le cinqième chapitre, nous étudions les proprieties mécaniques et électriques des échantillons de matériaux composites élaborés à partir de fibres non-traitées et des fibres traitées par dépôt plasma de polypyrrole (sur CFs et CNTs-CF). A partir des essais mécaniques et des mesures électriques, nous concluons sur les améliorations apportées par le traitement plasma.The incorporation of carbon nanotubes grafted carbon fibers (CNTs-CF) into polymermatrices provides highly-enhanced mechanical, electrical, and thermal properties to the materials. They are ideal candidates to be integrated into structural and functional applications in the fields of aerospace, automobile, defense, and sport industries. The aim of this PhD thesis is to establish an efficient technique to produce carbon fiber composites with multifunctional properties. We study the adaptation of a plasma technique for polymer deposition on the surface of carbon fibers (CFs) and carbon nanotubes grafted carbon fibers (CNTs-CF). The plasma polymer deposition on CNTs-CF is not performed only to keep nanotubes on the carbon fiber surface for safety reasons, but it is also applied to retain the bulk properties of those materials. In the first chapter, we give an overview of the two major subjects of the study: (1) composites and their applications, (2) plasma application for materials processing. In the second chapter, we present the experimental procedure of the plasma treatment process of fibers including the detailed design of the plasma system for the treatment of these samples. Then we explain the procedures of several sorts of characterization studies of fibers and composites (e.g. chemical, electrical, and mechanical). In the third chapter, we evaluate the effect of double and triple varied process parameters (i.e. plasma power, exposure time and precursors) on electrical resistivity of CFs and CNTs-CF by response surface methodology. According to the optimization studies we investigate the main factors and the interactions between the different process parameters and we demonstrate which variable (or factor) has the greatest effect on the electrical resistivity of both types of the treated carbon fibers. In the forth chapter, we deal with the characterization studies of the plasma treated CFs and CNTs-CF by using XPS (chemical structure), SEM (microstructure), AFM (topography, roughness), and TGA (thermal stability, degradation kinetics) in order to provide better understanding of the obtained structures on such fibers in a domain ranging from macroscopic to atomic scales. We also analyze the untreated samples to compare mainly the chemical and morphological differences between unmodified and plasma modified fibers. Finally, in the fifth chapter, we study the mechanical and electrical properties of untreated and plasma polypyrrole treated CFs and CNTs-CF reinforced composites experimentally. According to the electrical and mechanical tests, we determine the healing effect of plasma surface treatment performed on CFs and CNTs-CF