Matériaux composites électriquement conducteurs avec déchets et matières premières secondaires incorporés

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9023 (2023) Citer cet article

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Les composites silicatés ont en général une très faible conductivité. Il est possible d'obtenir une diminution de la résistivité électrique en ajoutant une charge électroconductrice. Le mélange conducteur est constitué de liant cimentaire, de divers types de sable siliceux et de charges conductrices à base de graphite. L'un des axes de recherche est la substitution partielle des matières premières ordinaires par des composants alternatifs (déchets, sous-produits et matières premières secondaires) et son influence sur les propriétés des composites. Les composants alternatifs étudiés étaient les cendres volantes comme remplacement partiel du liant, les déchets de graphite provenant de deux sources différentes et les copeaux d'acier comme substitut aux charges conductrices. La résistivité des échantillons conducteurs durcis à base de silicate a été analysée en relation avec les changements dans les propriétés physico-mécaniques dans le contexte de changements microstructuraux dans la matrice cimentaire durcie (par microscopie optique et électronique à balayage avec analyse de dispersion d'énergie). Il a été constaté que la substitution partielle du ciment par des cendres volantes réduisait la résistivité électrique du composite. Certaines des charges de graphite usagées réduisent considérablement la résistivité du composite de ciment et augmentent la résistance à la compression. Il a été prouvé qu'il est possible de remplacer les charges conductrices primaires par des matières premières secondaires.

Les matériaux composites sont l'un des matériaux de construction les plus innovants. Ces matériaux sont utilisés dans tous les secteurs industriels. Leur plus grand avantage est la possibilité de modifier les propriétés directement en fonction du but d'utilisation donné. Ces propriétés peuvent être modifiées en utilisant différents types et combinaisons de matrices et de charges1,2. La matrice forme la phase dite continue du matériau et affecte principalement les propriétés physiques et mécaniques, la résistance chimique, la conductivité thermique, la résistance au feu et autres de l'ensemble du matériau composite3. Les matrices sont majoritairement à base de silicate, de polymère ou de géopolymère4. Pour la plupart des matériaux composites, les charges réduisent considérablement le prix du matériau et affectent davantage la densité apparente, la conductivité électrique, le pouvoir absorbant, etc.5,6.

Un composite électriquement conducteur peut être défini comme un matériau composite contenant une quantité suffisante de composants électriquement conducteurs pour obtenir une conductivité électrique stable et relativement élevée. La conductivité électrique est liée à la résistivité ou à la résistance, c'est une valeur inverse. Pour les matériaux solides, nous pouvons diviser la conductivité électrique en conductivité interne et superficielle. La conductivité interne est liée à la structure, à la quantité et à la nature des composants conducteurs utilisés, tandis que la conductivité électrique superficielle dépend principalement de la teneur en eau du matériau.

La conductivité des matériaux composites dépend de la mobilité des électrons. Les matériaux à base de ciment ont généralement une résistivité de 6,5·105 à 11,4·105 Ω·cm7, on peut donc dire qu'ils ne sont même pas de bons conducteurs comme le cuivre, qui a une résistivité d'environ 1,7·10–8 Ω·cm8 , ni un bon isolant (par exemple du Téflon avec une résistivité approximative de 1015 à 1020 Ω·cm)9. En ajoutant des composants conducteurs tels que des fibres de suie, de graphite, de carbone et d'acier, sa résistivité peut être considérablement réduite tout en conservant de bonnes propriétés mécaniques10.

La clé de l’excellente électroconductivité du matériau composite réside dans la création d’un réseau parfaitement conducteur de l’électricité dans sa structure. Plus ce réseau conducteur est résistant, plus la conductivité électrique du matériau est grande. Ceci est également associé à la force maximale du courant électrique qui peut le traverser. Une fois la structure conductrice interconnectée intacte dans le matériau composite, la résistance du matériau lui-même est considérablement réduite, cette limite est appelée seuil de percolation, et il en résulte que l'ajout ultérieur du matériau n'affecte plus la résistivité11. Le réseau électriquement conducteur peut être constitué au mieux de matériaux conducteurs et de forme aciculaire et allongée grâce auxquels ils peuvent facilement transférer le courant électrique à travers une matrice non conductrice sur de plus longues distances, tels que des nanotubes de carbone, des fibres d'acier, etc. le problème se produit lorsque ces composants aciculaires ne sont pas en contact direct. par conséquent, une combinaison d'utilisation de plusieurs types d'éléments conducteurs ou d'augmentation de leur proportion dans le matériau est appropriée. De plus, la conductivité du composite est principalement affectée par la densité, la teneur en cavités d'air, l'orientation directionnelle de la charge ou des fils, ainsi que leur dispersion dans le composite. Conductivité électrique (principe, réseaux internes et structures).