Optimization of electrical transport properties in carbon nanotube fibers by mechanical methods : densification and traction

Le développement de la technologie dans tous les domaines de notre vie quotidienne exige une énorme quantité d’énergie et un réseau de distribution efficace de l’électricité. De plus, la limitation en ressource des matériaux conducteurs usuels, tels que le cuivre et l’aluminium, et les faibles progrès réalisés dans le domaine de raffinage de ces métaux conduisent à la recherche de matériaux performants pour la distribution et le stockage de l’énergie. Depuis la découverte des nanotubes de carbone (NTC) et de leur propriétés exceptionnelles, la fabrication de fibres de nanotubes de carbone constitue une perspective prometteuse pour la fabrication de câbles électriques ultralégers, résistants à la corrosion et à bas coûts. Cependant, jusqu’à présent, les performances électriques obtenues sont bien inférieures à celles obtenues pour les fils de cuivre et il est encore difficile de comprendre si les facteurs limitants de la conductivité sont liés aux enchevêtrements entre les tubes, à la présence d’impuretés, de défauts dans la structure des tubes et/ou à la porosité. Cette thèse porte sur l’étude expérimentale de fibres de NTC élaborées à partir de tapis verticaux de NTC produits par dépôt chimique en phase vapeur assistée par filament chaud (HF-CVD). Dans l’optique de comprendre et d’améliorer les caractéristiques de ces fibres de NTC, nous en avons étudié les propriétés électriques, mécaniques et électro-mécaniques par des approches expérimentales diverses. Dans un premier temps, nous avons cherché à améliorer la conductivité des fibres par des méthodes de densification mécanique qui permettent d’appliquer des pressions beaucoup plus importantes (jusqu’à 3 GPa) que celles mises en jeu dans les méthodes de densification liquide. Du fait des dimensions et de la géométrie des fibres, plusieurs dispositifs de compression ont dû être adaptés afin de conserver une pression la plus isostatique possible. La conductivité des fibres de NTC densifiées à 0,36 GPa a ainsi pu être augmentée de 25%. A plus haute pression, jusqu’à 3 GPa, les forces de cisaillement et de friction mènent à une détérioration de la fibre et ainsi à une baisse drastique de la conductivité. Les résultats obtenus suggèrent une pression maximale de 1 GPa à appliquer pour améliorer le contact des faisceaux entre eux sans détérioration de la qualité des fibres. Dans un second temps, nous nous sommes intéressés aux propriétés mécaniques des fibres soumises à des sollicitations quasi-statiques et dynamiques. Un comportement de type visco-élastique des fibres a pu être relevé qui est en accord avec la théorie de Tobolsky et Eyring sur la relaxation des contraintes dans les polymères. Nous avons ensuite étudié les propriétés de transport électrique des fibres de NTC sous l’effet d’une déformation uni-axiale à l’aide d’un dispositif développé à cet effet. Nous avons observé une augmentation de la résistance de la fibre qui ne peut être expliqué par un simple effet géométrique. Enfin, nous avons exploré l’effet d’une injection de courant continu et pulsé sur les propriétés électriques de la fibre de NTC et observé une diminution de la résistanceThe ubiquitous presence of technology in all areas of our daily lives requires a huge amount of energy and an efficient electricity distribution network. In addition, the resource limitation of conventional conductive materials, such as copper and aluminum, and the limited progress made in the refining of these metals lead to a search for high performance materials for the distribution and storage of energy. Since the discovery of carbon nanotubes (CNTs) and their unique properties, carbon nanotubes fibers manufacturing has been a promising prospect for the manufacture of ultra-light, corrosion-resistant and low-cost power cables. However, until now, their electrical performances have been much lower than those of the copper wires and it is still difficult to understand if the limiting factors for the conductivity are related to entanglements between the tubes, to the presence of impurities, defects in tube structure and/or to porosity. This thesis is an experimental study of CNT fibers made from vertically aligned CNT arrays produced by hot filament chemical vapor deposition (HF-CVD). In order to understand and improve the characteristics of these CNT fibers, we have studied their electrical, mechanical and electro-mechanical properties through various experimental methods.Initially, we sought to improve the conductivity of fibers by mechanical densification methods that allow to apply much higher pressures (up to 3 GPa) than those involved in liquid densification methods. Because of the dimensions and geometry of the fibers, several compression devices had to be adapted in order to obtain an isostatic pressure. We were able to increase the conductivity of the densified NTC fibers by 25% at 0.36 GPa. At higher pressures, up to 3 GPa, shear and friction forces lead to a deterioration of the fiber and thus a drastic decrease in conductivity. The obtained results suggest a maximum pressure of 1 GPa to be applied to improve the contact between and within the CNT bundles without any deterioration of the quality of the fibers. Then, we investigated the mechanical properties of the fibers subjected to quasi-static and dynamic strain. A viscoelastic behavior of the fibers could be observed in agreement with the Tobolsky and Eyring theory on stress relaxation in polymers. The electrical transport properties of fibers under uni-axial strain were also studied using a device designed for this purpose. We observed an increase in fiber resistance that can not be explained by a simple geometric effect. Finally, we explored the effect of DC and pulsed current injection on the electrical properties of the NTC fiber and observed a decrease in resistanc