Couplages entre propriétés thermiques, réactivité chimique et viscosité

La maîtrise de l’élaboration de matériaux composites à matrice polymère fondée sur l’hystérésis diélectrique nécessite de connaître préalablement les matériaux composites. Cela exige une parfaite maîtrise de l’application de l’énergie micro-ondes. A la maîtrise de la propagation des ondes électromagnétiques s’ajoute l’aspect cinétique chimique du procédé (le matériau utilisé est à matrice thermodurcissable), qui a une influence significative sur le chauffage du matériau. De plus, le procédé s’accompagne de l’application d’une contrainte de pression, qui a pour rôle de mettre en forme la pièce en composite. Par conséquent, une meilleure compréhension de la mise en forme des matériaux composites à matrice polymère thermodurcissable est important pour l’optimisation du procédé. Ainsi après un rappel sur les renforts et matrices des matériaux composites ainsi que leurs propriétés, nous verrons la propagation des ondes électromagnétiques dans le guide d’onde, le dispositif expérimental, suivi d’une modélisation cinétique et enfin de la description du transfert de matière lors de la mise en forme du matériau composite.

LES MATERIAUX COMPOSITES 

Il existe deux types de matériaux composites :
• les composites grande diffusion (GD)
• les composites hautes performance (HP) .

Les composites GD, représentent 95 % des matériaux composites utilisés. En général, ce sont des plastiques armés ou des plastiques renforcés dont le taux volumique de renfort avoisine 30 %. Les principaux constituants de base sont les résines polyesters (95 % des résines thermodurcissables) avec des fibres de verre (plus de 99 % des renforts utilisés).

Les composites HP sont principalement utilisés dans l’aéronautique. Les renforts utilisés sont plutôt des fibres longues dont le taux de renfort est supérieur à 50 %. Contrairement aux composites GD, leurs propriétés mécaniques, résistance mécanique et rigidité, sont largement supérieurs à celles des métaux.

Les renforts

Généralités
Le renfort a pour rôle d’assurer la tenue mécanique du composite et est souvent de nature filamentaire : fibres organiques ou inorganiques. Les fibres sont constituées par plusieurs centaines ou milliers de filaments de diamètres variant de 5 à 15 µm, ce qui permet de traiter les mèches sur des machines textiles.

Les fibres de verre
Le verre possède une très bonne résistance à la rupture dépassant même celle de certains métaux. Cependant, le verre est un matériau très fragile du fait de sa forte sensibilité aux microfissures. Cette fragilité diminue lorsque le verre est sous forme de fibre puisque les microfissures sont moins nombreuses, ce qui lui confère de bonnes performances. Il existe différents types de verre : le verre E, C, D, R ou S, qui sont obtenus suivant une composition différente du mélange de préparation, par conséquent, leurs propriétés diffèrent également.

Le verre E est employé pour la fibre de verre constituant le renfort du matériau composite faisant l’objet de ce travail.

Les matrices 

La matrice permet de lier les fibres du renfort fibreux entre elles, ainsi que de répartir les efforts (résistance à la compression ou à la flexion). La matrice est facilement déformable et assure la protection chimique des fibres[I-2]. Généralement, c’est un polymère ou une résine organique.

Les résines les plus employées dans les matériaux composites sont les résines thermodurcissables et les résines thermoplastiques. Les résines thermodurcissables sont des polymères, qui, après un traitement thermique ou physico-chimique (catalyseur, durcisseur), se transforment en des produits essentiellement infusibles et insolubles. Ces résines ont donc la particularité de ne pouvoir être mises en forme qu’une seule fois. Les résines thermoplastiques, en revanche, peuvent être alternativement ramollies par chauffage et durcies par refroidissement dans un intervalle de température spécifique du polymère étudié. De plus ces résines présentent l’aptitude à l’état liquide de se mouler facilement par plasticité. La matrice constituant le matériau composite de cette étude est une matrice thermodurcissable.

Il existe d’autres catégories de résines : les résines thermostables et les polymères thermoplastiques, dont l’usage reste spécifique et dont la fabrication dans les matériaux composite reste limitée. Les résines thermostables sont caractérisées par des caractéristiques mécaniques stables sous des pressions et des températures élevées (> 200°C) appliquées de façon continue. Cette propriété se mesure en déterminant la température que peut supporter la résine durant 2000 h sans perdre la moitié de ses caractéristiques mécaniques. Les élastomères sont caractérisés par une forte élasticité avec un module d’Young très faible.

Procédés classiques et procédés micro-ondes 

Le problème qui nous concerne est la mise en place de la matrice, qui conduit globalement à une mise en forme de la pièce. Cette mise en forme est tributaire de la distribution spatiale particulière de la température résultant des sources micro-ondes. Pour cette raison, nous avons classé les procédés en deux catégories suivant des critères de température et de contrainte de pression mécanique appliquée lors de la mise en œuvre.

Contrairement aux procédés à faible pression, les procédés à forte pression sont très mécanisés et sont utilisés pour les grandes séries. De plus dans la première catégorie, la résine est mélangée au renfort pendant le moulage tandis que les matériaux utilisés pour les procédés de la deuxième catégorie sont déjà sous forme de préimprégnés.

Table des matières

INTRODUCTION GENERALE
1. INTRODUCTION
2. LES MATERIAUX COMPOSITES
2.1. LES RENFORTS
2.1.1. Généralités
2.1.2. Les fibres de verre
2.2. LES MATRICES
2.3. LES MATERIAUX COMPOSITES STRUCTURAUX
3. ELABORATION DES MATERIAUX COMPOSITES A MATRICE POLYMERE
3.1. PROCEDES CLASSIQUES ET PROCEDES MICRO-ONDES
3.1.1. Procédés classiques
3.1.2. Procédés d’élaboration à chauffage par hystérésis diélectrique
3.2. COUPLAGES MIS EN ŒUVRE AU COURS DU PROCEDE FONDE SUR L’HYSTERESIS DIELECTRIQUE
3.2.1. Couplages entre le champ électromagnétique, la température, et les réactions physicochimiques au sein du matériau
3.2.2. Couplages entre le matériau et son environnement thermique et physique
4. CHAUFFAGE PAR HYSTERESIS DIELECTRIQUE
4.1. PROPAGATION ELECTROMAGNETIQUE
4.1.1. Equations de Maxwell
4.1.2. Équations de la propagation libre
4.1.3. La propagation guidée
4.1.3.1. Constante de propagation guidée
4.1.3.2. Conditions de propagation guidée
4.1.3.3. Modes de propagation
4.2. LE DISPOSITIF MICRO-ONDES ET SA CONCEPTION
4.2.1. Equipements micro-ondes
4.2.1.1. Générateur
4.2.1.2. Eléments d’adaptation et de mesure
4.2.1.2.1. Guide d’ondes rectangulaire
4.2.1.2.2. L’isolateur
4.2.1.2.3. Le coupleur directif
4.2.1.3. L’applicateur
4.2.2. Conception du dispositif
4.2.2.1. Sélection du mode de propagation fondamental
4.2.2.2. Chargement diélectrique de l’applicateur
4.2.2.3. Adaptation des interfaces
4.2.2.4. Compensation du phénomène d’atténuation
4.2.2.4.1. Utilisation de sources micro-ondes alternées
4.2.2.4.2. Compensation par un chargement diélectrique
4.3. DISTRIBUTION DU CHAMP ELECTRIQUE A L’INTERIEUR DE L’APPLICATEUR
4.3.1. Mise en équation
4.3.2. Résolution des équations de propagation dans l’applicateur chargé
4.3.3. Simulation du champ électrique sur MapleV
4.3.3.1. Résolution de l’équation transcendante
4.3.3.2. Distribution du champ électrique pour un applicateur chargé par cinq matériaux diélectriques
4.4. INTERACTION DE L’ONDE ELECTROMAGNETIQUE SUR LA MATIERE
4.4.1. Puissance électromagnétique dissipée en chaleur
4.4.2. Phénomène d’atténuation de l’onde
5. ASPECT CINETIQUE
5.1. TRANSFORMATION CHIMIQUE
5.2. MODELISATION CINETIQUE
5.2.1. Modèle cinétique
5.2.2. Hypothèses sur le modèle cinétique et les cas traités
6. DESCRIPTION DE L’ECOULEMENT
6.1. OBSERVATION EXPERIMENTALE DU FLUAGE DE LA MATRICE ORGANIQUE
6.1.1. Protocole expérimental
6.1.2. Résultat expérimental
6.2. MODELES THEORIQUES ET ECOULEMENT DE LA MATIERE
6.2.1. Résolution du problème
6.2.1.1. Hypothèses des modèles
6.2.1.2. Mise en équation
6.2.2. 1ère approche : écoulement de matériau fluide de longueur variable au cours du temps sans évacuation de matière à ses extrémités
6.2.2.1. Détermination de L(t)
6.2.2.2. Détermination de p(z)
6.2.2.3. Détermination de K(T) à partir de L(t)
6.2.3. 2ème approche : écoulement de matériau fluide de longueur constante avec évacuation de matière à ses extrémités
6.2.3.1. Détermination de la variation de l’épaisseur e(t)
6.2.3.2. Détermination de p(z)
6.2.4. 3ème approche : écoulement de matériau fluide composé de fibres de longueur constante avec évacuation de matière à ses extrémités
6.2.4.1. Détermination de p(z)
6.2.4.2. Détermination de la variation de la fraction volumique de matrice f(t)
6.2.4.3. Détermination de la vitesse d’écoulement
6.2.4.4. Détermination de la quantité de matière évacuée
6.2.4.5. Détermination de la caractéristique d’écoulement K(t)
7. CONCLUSION
CONCLUSION GENERALE

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