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Chelaghma, Saber Ayoub. Fonctionnalisation de composites C/PEKK pour application aérospatiale : caractérisation, modélisation et influence sur les propriétés du composite

Chelaghma, Saber Ayoub (2018). Fonctionnalisation de composites C/PEKK pour application aérospatiale : caractérisation, modélisation et influence sur les propriétés du composite.

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Résumé en francais

La réduction du poids des avions est l'un des grands défis de l'industrie aérospatiale. Afin d'atteindre les objectifs ambitieux en matière de consommation de carburant et de réduction des émissions, des composites renforcés de fibres de carbone, ont été introduits sur le marché. Ces matériaux suscitent un intérêt croissant, néanmoins, ils possèdent une faible conductivité électrique, ne permettant pas de garantir une protection contre la foudre. Pour cette raison, les composites chargés de particules conductrices font l'objet d'activités de recherche en cours. L'objectif est le développement de composites multifonctionnels avec des propriétés électriques accrues. Pour l'heure, la matrice thermoplastique de référence est le PEEK mais ce polymère reste toutefois cher, et sa température d'élaboration élevée. Dans ce but, des matrices thermoplastiques, telles que le PEKK, sont à nouveau étudiées. Entre la matière première et la pièce finale, la matrice thermoplastique subit plusieurs cycles de traitement à haute température (imprégnation, consolidation, procédés d'assemblage) au cours desquelles sa capacité à cristalliser évolue sans cesse. Afin d'évaluer l'impact du procédé et des constituants du composite sur les propriétés du composite, la cristallisation a fait l'objet d'une attention particulière. Deux dispositifs expérimentaux complémentaires ont été utilisés afin de caractériser la cristallisation : une platine chauffante, permettant d'appliquer un cycle thermique et d'observer la cristallisation en microscopie optique ainsi que la calorimétrie différentielle à balayage. L'influence des fibres de carbone et des particules conductrices sur la cinétique de cristallisation a été évaluée. Une diminution des temps de cristallisation a été observée à travers l'augmentation du taux de germination. Les données recueillies ont servi à développer un modèle de cinétique de cristallisation identifié à travers une approche originale en se basant sur des données microscopiques et enthalpiques. Ce modèle permet de prédire les cinétiques de cristallisation des composites à matrice PEKK mais il ne permet pas de rendre compte de la microstructure finale engendrée. Or, cette dernière a un impact non négligeable sur les propriétés mécaniques comme cela a été prouvé à travers des essais de nano-indentation. Pour prévoir la microstructure finale, un modèle basé sur l'approche pixel coloring a été développé. L'influence des fibres de carbone a été introduite à travers la formation d'une phase transcristalline. Une bonne corrélation est constatée entre l'approche analytique, la simulation et les données expérimentales en termes de cinétique de cristallisation. Des caractérisations mécaniques et électriques ont été effectuées afin d'évaluer les performances de ces nouveaux matériaux. Sur les matériaux étudiés, la réponse mécanique n'est pas homogène comme observé sur des essais de traction suivis en stéréo-corrélation. L'étude de la santé matière montre l'existence de défauts, en particulier, à l'échelle de la microstructure. Afin de prendre en compte ces particularités, il est ainsi nécessaire de décrire plus finement la microstructure. Pour cela, la tomographie à rayons X a été utilisée afin de caractériser le composite. Les récents développements de cette technique permettent, en combinaison avec des outils de segmentation, de reconstruire une géométrie représentative du matériau. Cette géométrie est utilisée pour simuler le comportement mécanique ainsi que la cristallisation. Les simulations numériques d'un VER sont capables de prédire les propriétés d'un pli, puis celles du stratifié. Cette modélisation multi-échelle pourrait réduire le nombre et le coût des campagnes expérimentales. Ainsi, déterminer les propriétés de la structure finale en se basant sur des caractérisations et simulations à l'échelle de la microstructure est un enjeu scientifique et industriel stratégique. Ce travail constitue une contribution vers cette approche.

Sous la direction du :
Directeur de thèse
Périé, Jean-Noël
Marguerès, Philippe
Passieux, Jean-Charles
Ecole doctorale:Mécanique, énergétique, génie civil, procédés (MEGeP)
laboratoire/Unité de recherche :Institut Clément Ader (ICA-Toulouse), UMR 5312 ; Institut de recherche technologique Antoine de Saint-Exupéry (IRT)
Mots-clés libres :Composites hautes performances - Cristallisation - Modélisation - Simulation - Tomographie à rayon X - Matériaux numériques - Mécanique - Electrique - Fonctionnalisation
Sujets :Sciences des matériaux
Déposé le :27 Nov 2019 12:16