Soutenance mémoire
Les matériaux composites à matrice organique (CMO) hautes performances, qui associent des fibres synthétiques (notamment les fibres de carbone) à des matrices thermodurcissables de type époxyde, peuvent potentiellement être des solutions de substitution aux alliages métalliques utilisés dans l’industrie aéronautique quand la température d’utilisation le permet. Ces matériaux permettent un allègement conséquent des structures, ce qui a un impact direct sur la consommation d’énergie et les émissions de gaz polluant. Toutefois, l’élaboration actuelle de matériaux performants à partir de pré‐imprégnés (architecture fibreuse imprégnée de résine et prête pour la cuisson) selon des procédés de fabrication en autoclave se heurte à certains problèmes :
❖ un vieillissement intempestif du polymère avant sa mise en œuvre,
❖ une consolidation mal maîtrisée pouvant résulter dans la présence de nombreux défauts structuraux,
❖ une durée de cuisson longue et donc une importante consommation d’énergie,
❖ un grand besoin en produits consommables, et
❖ de nombreuses opérations manuelles de drapage qui sont chronophages et génératrices de la majorité des défauts de fabrication.
Il est donc souhaitable d’envisager d’autres modes d’élaboration de ces matériaux comme l’injection sur renfort par procédés LCM « Liquid Composite Molding », et plus particulièrement l’infiltration de résine dans un renfort par infusion. En effet, La tendance actuelle dans l’industrie des matériaux composites est de produire des pièces de dimensions de plus en plus importantes (pièces élancées ou de fortes épaisseurs), avec des géométries de plus en plus complexes afin d’intégrer plusieurs fonctionnalités à la pièce mise en œuvre. Les procédés d’infusion ont, dans ce cadre, un rôle important à jouer et constituent une solution très prometteuse.
Introduction aux matériaux composites et à leur mise en œuvre
Matériaux composites
Présentation générale
Un matériau composite est un assemblage de deux constituants non-miscibles, ou plus, dont les propriétés physiques sont supérieures à celles de ces constituants pris séparément. Les principaux constituants d’un composite sont le renfort qui supporte la charge et la matrice qui lui transfert cet effort. Les principaux atouts des composites sont, d’une part, leur importante résistance spécifique , et d’autre part, la possibilité de les concevoir pour répondre de façon optimale aux besoins fonctionnels. En fait, l’orientation du renfort et sa concentration permettent de façonner un matériau dont l’anisotropie est parfaitement adaptée aux sollicitations qu’il doit supporter.
De par leurs résistances spécifiques supérieures, les matériaux composites permettent d’alléger les structures en se substituant aux alliages métalliques, quand l’environnement d’application le permet, notamment les conditions thermiques. Cette alternative suscite un grand intérêt industriel, particulièrement pour les industries du transport (aéronautique, spatiale, ferroviaire, automobile, navale,…) où le poids représente un défi majeur car synonyme de consommation du carburant. Dans cette optique, les constructeurs aéronautiques continuent d’introduire de plus en plus de pièces en composite dans leurs appareils en vue d’un allégement optimal de la structure .
Selon l’objectif de leur utilisation, les matériaux composites peuvent se classer en deux catégories : Les composites de Grande Diffusion (GD), dont l’utilisation a pour but principal l’optimisation des coûts, et les composites Haute Performance (HP), employés pour leurs performances mécaniques ou thermiques optimales. Les composites GD représentent environ 95% des matériaux composites utilisés. Ils sont peu coûteux et compatibles avec des productions en grandes séries (automobile, loisir…). En revanche, leurs propriétés mécaniques sont plus faibles que celles des matériaux de référence tels que l’acier et s’emploient généralement pour des pièces non structurales. Les composites HP présentent des caractéristiques mécaniques spécifiques supérieures à celles des métaux. Ces matériaux sont assez onéreux à cause du coût élevé de leurs matières premières et de leurs procédés de fabrication. Ils sont utilisés pour des applications de pointe comme l’aéronautique, le spatial, l’armement, les voitures de luxe et de formula 1…etc.
Particularités des composites
Outre la légèreté et l’aptitude d’être conçus au juste besoin, les matériaux composites présentent des comportements différents de ceux des alliages métalliques :
Usure « fatigue, fissuration et vieillissement » :
Comparés aux métaux, les matériaux composites sont quasiment insensibles à la fatigue . De plus, ils résistent mieux à la propagation des fissures et ne sont pas sujet à la corrosion. En revanche, les composites en fibres de carbone risquent la corrosion galvanique s’ils sont assemblés avec des pièces en aluminium. Les matériaux composites sont, toutefois, sensibles au vieillissement humide et aux rayonnements ultra-violet qui leurs causent une baisse des propriétés. Cette baisse de propriété est, néanmoins, limitée à un niveau de saturation, ce qui permet de la prendre en considération en conception. Ceci n’est pas possible quant à la corrosion des métaux, car celle-ci les détériore jusqu’à leur destruction. Ils existent des additifs qui, mélangés avec la matrice, permettent de limiter ces vieillissements.
Usinabilité (coût et impact) :
Bien que la matière première des composites soit plus chère que les métaux, une partie de ce surcoût est compensée par le faible taux de chute en usinage. En effet, les structures composites sont souvent fabriquées en un seul ensemble plutôt qu’en plusieurs sous-éléments assemblés. Cela permet d’économiser les coûts d’usinage et d’assemblage ainsi que ceux liés aux chutes de la matière première. Il est à noter que cela n’est pas un choix mais plutôt une contrainte de conception car les matériaux composites sont très sensibles à l’usinage, et notamment le perçage qui peut entraîner jusqu’à 50% de baisse de résistance mécanique .
Résistance aux accidents :
Les composites à matrice organique ont une faible conductivité électrique à cause de leur matrice qui est un isolant électrique. Ceci les rend susceptibles d’être détruits en cas de foudroiement. Pour les protéger, ainsi que ce qu’ils transportent comme équipements ou passagers, une grille en bronze leur est équipée pour assurer le rôle de cage de Faraday . Il existe une seconde solution qui consiste à utiliser des peintures métallisées. Par ailleurs, les composites résistent très mal aux chocs. Ces derniers peuvent provoquer des délaminages et réduire les performances mécaniques de jusqu’à 50%.
Composants
Les matériaux composites se constituent principalement d’un renfort et d’une matrice. Le renfort représente le squelette qui assure la tenue mécanique de la pièce composite. La matrice, quant à elle, est le liant qui maintient le renfort dans sa forme. Le rôle de la matrice est, essentiellement, la transmission des efforts au renfort et la protection de celui-ci contre les agressions environnementales.
Matrices
Les matériaux composites peuvent être classés en fonction du type de leur matrice. Les composites les plus répondus (à 95% de l’ensemble des composites), et qui font l’objet de cette étude, sont les composites à matrice organique CMO. Il existe par ailleurs d’autres types de composites comme les composites à matrice céramique, utilisés pour leur tenu à très haute température, ou les composites à matrice métallique, employés pour des applications en aérospatiale.
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Table des matières
Introduction générale
Structure du manuscrit
1 Introduction aux matériaux composites et à leur mise en œuvre
1.1 Matériaux composites
1.1.1 Présentation générale
1.1.2 Particularités des composites
1.1.3 Composants
1.2 Procédés de mise en œuvre
1.3 Etapes et phénomènes physiques du procédé d’infusion
1.3.1 Drapage
1.3.2 Cycles de pré-compactage
1.3.3 Remplissage
1.3.4 Post remplissage
1.3.5 Cuisson et démoulage
1.3.6 Caractéristiques et défauts de la pièce produite
1.4 Conclusion du chapitre
2 Ecoulement en milieu fibreux déformable : notions physiques et état de l’art
2.1 Milieu poreux
2.1.1 Définition
2.1.2 Porosité
2.1.3 Echelle de pores
2.1.4 Echelle d’étude
2.1.5 Volume Elémentaire Représentatif (VER)
2.2 Modélisation de l’écoulement
2.2.1 Conservation de la masse dans un VER déformable
2.2.2 Lois constitutives
2.2.3 Modèles de perméabilité
2.3 Relation d’équilibre
2.3.1 Loi de Terzaghi
2.3.2 Loi de Biot
2.3.3 Compressibilité 1D
2.4 Compressibilité du renfort
2.4.1 Modèles micromécaniques
2.4.2 Modèles empiriques
2.5 Couplage hydromécanique
2.6 Conclusion du chapitre
3 Méthodes numériques de résolution du couplage hydromécanique
3.1 Etat de l’art
3.2 Eléments Finis avec Volumes de Contrôles (CVFEM)
3.2.1 Méthode Volume Of Fluid (VOF)
3.2.2 Stratégie de modélisation : méthode multicouche
3.2.3 Discrétisation d’éléments 2D triangulaires
3.2.4 Elément 1D transverse
3.2.5 Méthode FINE
3.3 Confrontation avec des résultats analytiques et numériques
3.3.1 RTM 1D
3.3.2 RTM 2D
3.3.3 RTM multicouche
3.3.4 VARI 1D
3.4 Conclusion du chapitre
4 Mesures expérimentales : caractérisations et infusion
4.1 Identification des lois de comportements
4.1.1 Compressibilité
4.1.2 Perméabilité
4.2 Enregistrement de l’infusion
4.2.1 Stéréocorrélation d’image
4.2.2 Suivi de front par caméra
4.2.3 Précautions
4.3 Conclusions du chapitre
5 Validation expérimentale du Modèle et Applications
Conclusion
