Étude et simulation de la conductivité thermique de matériaux composites à matrice organique chargée et renforcée de fibres de carbone PITCH PDF Download
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Book Description
Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet THEOREM porté par THALES Systèmes Aéroportés. Ce projet est un travail collaboratif entre partenaires industriels et académiques. Il a pour objectif de développer un matériau composite hybride constitué d'une matrice polymère chargée de micro et nanoparticules ayant une conductivité thermique importante et renforcée par des fibres longues de carbone PITCH. Le matériau final doit pouvoir atteindre des valeurs de conductivité thermique élevées équivalentes à celles de l'aluminium (~300W/m/K). Deux principaux axes ont été développés : un axe concernant la matrice chargée et un autre concernant les renforts fibreux. L'axe matrice a permis de développer des modèles numériques de dispersion aléatoire de charges dans un V.E.R. prédéfini afin de déterminer les propriétés homogénéisées de la matrice chargée. L'axe renfort a mis en avant l'influence de différentes architectures fibreuses sur les transferts de chaleur dans les trois directions de l'espace. La réunion de ces deux études a permis de déduire numériquement les propriétés effectives du composite final. Les différents modèles numériques ont été corrélés avec différentes mesures expérimentales.
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Cette thèse s'inscrit dans le cadre du projet THEOREM porté par THALES Systèmes Aéroportés. Ce projet est un travail collaboratif entre partenaires industriels et académiques. Il a pour objectif de développer un matériau composite hybride constitué d'une matrice polymère chargée de micro et nanoparticules ayant une conductivité thermique importante et renforcée par des fibres longues de carbone PITCH. Le matériau final doit pouvoir atteindre des valeurs de conductivité thermique élevées équivalentes à celles de l'aluminium (~300W/m/K). Deux principaux axes ont été développés : un axe concernant la matrice chargée et un autre concernant les renforts fibreux. L'axe matrice a permis de développer des modèles numériques de dispersion aléatoire de charges dans un V.E.R. prédéfini afin de déterminer les propriétés homogénéisées de la matrice chargée. L'axe renfort a mis en avant l'influence de différentes architectures fibreuses sur les transferts de chaleur dans les trois directions de l'espace. La réunion de ces deux études a permis de déduire numériquement les propriétés effectives du composite final. Les différents modèles numériques ont été corrélés avec différentes mesures expérimentales.
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Pour étendre l'utilisation des composites dans des applications plus variées (applications intelligentes et multifonctionnelles), l'une des barrières est leur faible conductivité électrique et thermique. Dans le cas de composites renforcés par des fibres de carbone, la matrice organique est responsable des propriétés isolantes du composite résultant. L'une des solutions pour améliorer les conductivités des matériaux est l'utilisation des nanocharges conductrices. L'amélioration des propriétés électriques et thermiques des polymères nanochargés est une problématique récurrente dans la littérature. Cependant, étudier les propriétés des composites à fibre de carbone continue et nanochargés est moins abordée. Ce travail porte sur la fabrication et la caractérisation des composites nanochargés par du noir de carbone et des nanotubes de carbone. Tout d'abord, un intérêt particulier a été accordé à la phase délicate de la fabrication. Comme mentionné ci-dessus, la mise en œuvre des composites à renfort continu et matrice nanochargée implique des problèmes liés à l'agglomération et à la dispersion inhomogène des nanocharges dans le composite final. Pour résoudre ces problèmes, le choix de la matrice thermoplastique (Polyamide 6) était judicieux. En fait, la dispersion des nanocharges a été faite par extrusion bi-vis qui est connue comme l'une des voies les plus efficaces de séparation d'agglomérats. De plus, la méthode de fabrication à base de films de Polyamide 6, appelée film stacking, assure une partition homogène dès le début du processus. Des observations MEB ont été effectuées pour localiser les nanoparticules. Ceux-là ont montré que les particules pénétraient dans la zone des fibres. En effet, en atteignant le cœur des torons, les nano-charges ont créé un réseau de connectivité entre les fibres pour le passage de courant. Ceci explique l'amélioration constatée de la conductivité électrique des composites en présence de noir de carbone et des nanotubes de carbone. Ces essais ont été réalisés avec la méthode à 4 points. La conductivité électrique du composite à matrice « pure » est passée de 20S / cm à 80S / cm en ajoutant 8% en poids de noir de carbone et à 15S / cm en ajoutant 18% en poids de la même charge nanométrique. Pour les nanotubes de carbone, avec 2,5% en poids, la conductivité était d'environ 150S / cm. Pour les propriétés thermiques, des tests basés sur l'effet Joule ont été réalisés. L'augmentation de la température a été enregistrée en utilisant une caméra IR. Les résultats obtenus sont en accord avec ceux de la conductivité électrique, montrant une amélioration du comportement thermique en présence de nanocharges. Grâce à ces résultats, l'utilisation de ces composites comme outil de suivi d'endommagement était possible. Par ailleurs, la méthode de variation de la résistance électrique a été effectuée. Les matériaux nanochargés ont montré une meilleure sensibilité aux endommagements. Les résultats ont été comparés aux outils classiques de suivi d'endommagement. A la fin, plusieurs applications « intelligentes » ont été testées telles que : le composite à gradients de propriétés et des matériaux nanochargés cousus.
Author: Marco Gigliotti Publisher: ISTE Group ISBN: 1784052833 Category : Composite materials Languages : fr Pages : 123
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L’utilisation des composites à matrice organique pour des applications structurales à haute température est de plus en plus souvent envisagée, notamment dans certaines zones de turbomachines aéronautiques. A cette fin, il devient nécessaire d’analyser les effets du vieillissement thermo-oxydant sur le comportement mécanique d’un polymère et des composites associés. Cet ouvrage met en relief des méthodologies expérimentales originales qui permettent, par analyse inverse, de développer et d’identifier une loi de comportement du polymère dépendant du vieillissement ainsi que les déformations d’origine chimique. Ces informations sont utilisées pour le calcul des contraintes internes induites par un vieillissement thermo-oxydant dans des composites unidirectionnels à fibres continues de carbone. Comportement mécanique des composites à matrice organique se différencie des autres ouvrages par son approche. Il examine des lois de comportement thermomécaniques locales dépendant de l’oxydation grâce à l’emploi d’essais couplés et non couplés à l’échelle microscopique. Il présente des modèles originaux afin d'intégrer toute la richesse de la phénoménologie observée expérimentalement, grâce à l'emploi de variables internes correctement choisies.
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La dispersion de particules conductrices dans une matrice organique isolante confère au composite une conductivité électrique qui augmente avec la fraction volumique f des particules au-dessus d'un seuil critique fc. Il s'agit d'une transition isolant/conducteur pouvant être décrite par la théorie de la percolation. Lorsque ces composites sont chauffés au-delà d'une température TCTP, une diminution significative de la conductivité est observée. Cet effet, connu sous le nom «effet CTP» (Coefficient de Température Positif, en termes de résistivité), est utilisé dans de nombreuses applications et, notamment en électrotechnique, comme limiteur de courant. Bien que l'étude de ces mélanges noir de carbone/matrice organique, ait déjà fait l'objet de nombreux travaux, l'origine et le mécanisme de la conduction électrique, d'une part, celui de l'effet CTP, d'autre part, restent controversés. Ce fait peut s'expliquer par le grand nombre de paramètres qui influencent les propriétés électriques de ces systèmes désordonnés. Le but de ce travail est d'étudier ces mécanismes dans le cas de composites dont les caractéristiques physico-chimiques et la morphologie à différentes échelles de longueur sont obtenues par une série de méthodes indépendantes et peuvent être reliées aux propriétés électriques. Le travail expérimental et l'analyse théorique des résultats à l'aide de modèles adaptés aux systèmes hétérogènes désordonnés, ont permis d'obtenir une série d'informations importantes et nouvelles concernant les propriétés électriques de ces composites. La première concerne le comportement différent de certains composites pouvant être attribué à l'interpénétration des agrégats mise en évidence par diffusion centrale de rayons X et résultant soit du mode de préparation, soit de la nature de la matrice. La seconde concerne le mécanisme de l'effet CTP pour lequel les mesures de conductivité dynamiques ont permis, pour la première fois, une description qualitative, précise et complète.
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Les thermoplastiques hautes performances poly(éther-cétone-cétone) (PEKK) sont actuellement étudiés avec un grand intérêt dans l'industrie aéronautique comme matrice pour la fabrication de pièces de structure composites renforcées par des fibres de carbone. En effet, les composites thermoplastiques PEKK ont l'avantage d'être consolidables hors autoclave et ont des températures de mise en œuvre plus faibles que les composites PEEK.L'objectif de cette étude est de comprendre et prédire l'évolution des propriétés mécaniques des composites PEKK suivant le cycle thermique de mise en œuvre pour déterminer les paramètres de mise en œuvre optimaux pour la fabrication des pièces composites PEKK concernant les temps de mise en œuvre et les performances mécaniques finales.Une première partie traite de la modélisation des cinétiques de cristallisation des matrices PEKK ainsi que l'influence de la cristallinité et des morphologies cristallines sur les propriétés mécaniques des matrices PEKK. Une deuxième partie se concentre sur les modifications macromoléculaires des matrices PEKK pour des hautes températures de mise en œuvre sous air et sous azote et leurs impacts sur la cristallisation et les performances mécaniques des matrices PEKK. Enfin une dernière partie présente l'influence des fibres de carbones sur les morphologies cristallines et les cinétiques de cristallisation, la fabrication de composites PEKK unidirectionnels et tissés à ± 45° sous presse et sous autoclave et enfin l'impact de la cristallinité et des morphologies cristallines sur les performances mécaniques finales des composites PEKK.
Author: Serge-Olivier Adam Gnessougou Publisher: ISBN: Category : Languages : en Pages : 0
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Ce mémoire de maitrise présente les résultats de la diffusivité thermique de matériaux composites et le calcul de la température pyrométrique d'une plaque d'acier et d'un matériau composite. L'introduction donne les enjeux et objectifs du travail ainsi qu'un bref survol du corps du mémoire. Le chapitre 2 présente le premier article scientifique intitulé "Thermal Diffusivity Measurements With Flash Method at Different Depths In a Burned Composite Material". On mesure dans ce chapitre la diffusivité thermique à la température de la pièce de matériaux composites avant et après attaque d'une flamme d'un brûleur au propane. Les diffusivités thermiques obtenues varient entre 1.23e-07 m2/s à 3.14e-07 m2/s pour le premier échantillon de composite et entre 2.10e-07 m2/s et 3.14e-07 m2/s pour d'autres échantillons. On y présente également dans l'annexe A la diffusivité thermique en fonction de la profondeur d'un échantillon de composite brûlé pendant 15 secondes. Dans la partie brûlée de l'échantillon, on observe une convergence de la diffusivité thermique vers sa valeur initiale de 4.25 e-07 m2/s, lorsque non brûlée. Cette convergence en fonction de la profondeur suit une tendance polynomiale d'ordre 2. Le chapitre 3 présente le deuxième article scientifique intitulé "Temperature Calculation of a Steel Plate under Kerosene Flame Attack Using Two-Color Pyrometry". On mesure la température d'une plaque d'acier à l'aide d'une caméra infrarouge contenant deux filtres "transparents à la flamme" à 3 800 nm et 3 950 nm. Ces mesures avec la caméra infrarouge sont non-intrusives. Les températures pyrométriques calculées atteignent 600°C en régime permanent et sont en concordance avec des thermocouples préalablement incrustés dans la plaque. L'annexe B donne la température pyrométrique pour un échantillon de composite. La conclusion générale revient sur les points saillants des différents chapitres et donne une perspective pour de futurs travaux.
Author: Jérôme Pora (Auteur d'une thèse en génie des matériaux (1996)).) Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 163
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Ce travail de thèse s'est articulé autour de deux pôles principaux : la mise au point de l'élaboration de matériaux composites par infiltration d'une préforme de fibres de carbone par de l'aluminium liquide sous l'action d'une pression de gaz, la caractérisation microstructurale et mécanique des matériaux obtenus. Ceci dans le but de définir des critères de choix des constituants et des conditions opératoires du procédé, et de proposer des méthodes de dimensionnent de ces matériaux à partir des caractéristiques du renfort et de la matrice. Une première phase de l'étude a mis en évidence les spécificités du procédé retenu. Elle a été mise à profit pour rédiger le cahier des charges d'un moyen expérimental d'élaboration utilisé pour la suite du projet. Une deuxième phase d'élaboration et de caractérisation de composites unidirectionnellement renforcés avec différents types de fibres et des alliages d'aluminium à teneur de magnésium variable a mis en évidence le rôle prépondérant de la liaison interfaciale sur les contraintes à rupture en sens longitudinal et en sens travers des matériaux considérés. Une troisième phase a été consacrée à l'emploi de tissus afin d'améliorer les caractéristiques transverses. Cette partie a permis de valider l'emploi de la théorie classique des stratifiés pour la prédiction des propriétés thermoélastiques des composites C/Al. La dernière partie de l'étude a porté sur l'optimisation d'un composite unidirectionnel à matrice AG10 renforcée par des fibres de carbone à très haut module K139, dans le but d'obtenir un compromis acceptable entre les contraintes à rupture en sens longitudinal et en sens travers. Une comparaison entre les modèles physiques de prédiction des contraintes et une analyse statistique des résultats d'essais mécaniques en fonction des conditions d'élaboration a été effectuée. Compte tenu de l'expérience et des résultats acquis, plusieurs voies ont été suggérées pour approfondir ce travail, et l'utiliser dans la construction aéronautique et spatiale.
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Les composites à fibres de carbone et matrice organique sont pressentis pour réaliser certaines parties structurales de l'ATSF (Avion de Transport Supersonique du Futur). Une étude de durabilité va être menée pour vérifier que les conditions d'exploitation de l'avion (60 000 h de vol supersonique à 120°C) soient bien supportées par les matériaux. Pour simuler le comportement mécanique sur des durées aussi longues, on choisit un modèle viscoélastique non linéaire, qui utilise une répartition gaussienne des temps de relaxation. Une méthodologie d'identification est établie, séparant les contributions des différents paramètres. Deux matériaux sont étudiés : T800H/F655-2 et IM7/977-2. Les essais mécaniques retenus pour décrire le contexte thermomécanique d'utilisation sont des maintiens sous charge, sans endommagement, à 120°C.
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Les matériaux composites à matrice organique sont largement utilisés dans l'industrie des transports et notamment dans le domaine aéronautique. Pour permettre un dimensionnement optimal des structures, il est nécessaire d'étudier le comportement des matériaux CMO sur une large gamme de vitesses et de températures.L'objectif de cette thèse est de proposer un modèle de comportement et de rupture permettant de prédire la réponse des CMO sur une large gamme de vitesses de sollicitation et de températures. Les recherches se sont intéressées dans un premier temps à la caractérisation de la transition entre les régimes de comportement linéaire et non linéaire du matériau unidirectionnel T700GC/M21 (renforts de fibres de carbone, résine époxy), ainsi qu'à la dépendance de cette transition à la vitesse de sollicitation et à la température. Les travaux se sont ensuite focalisés sur l'étude expérimentale du régime de comportement non linéaire endommageable du T700GC/M21. Enfin, au terme de ces deux étapes, une version améliorée du modèle disponible à l'ONERA pour les composites stratifiés (OPFM) a été proposée, version intégrant un critère de transition linéaire/non linéaire de comportement, et une prise en compte de l'influence de la vitesse de sollicitation et de la température sur la réponse du matériau.
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L'étude se proposait d'accroître la conductivité thermique de composites à matrice céramique multicouche et autocicatrisante au moyen du procédé d'imprégnation par le silicium liquide. L'introduction préalable de xérogels de carbone, dont la texture est maîtrisée par contrôle des paramètres de synthèse du gel initial, permet de réduire et d'homogénéiser la porosité de ces matériaux. Les études de l'imprégnation des composites par le slilicium liquide ont montré que la production in situ de gaz à haute température nécessite un dispositif et des conditions particulières afin d'atteindre une porosité finale nulle. L'évacuation de ces espèces gazeuses est favorisée par un flux de silicium lent et unidirectionnel et en maintenant le plus longtemps possible, les tranches latérales du matériau perméables au gaz et non mouillables par le silicium. Les composites ainsi densifiés possèdent une conductivité thermique multipliée par 4 par rapport à ceux densifiés par voie gazeuse (CVBI)
Author: Bénédicte Reine
Author: Bénédicte Reine
Author: Khalil Hamdi
Author: Marco Gigliotti
Author: Manuela Hindermann-Bischoff
Author: Tanguy Choupin
Author: Serge-Olivier Adam Gnessougou
Author: Jérôme Pora (Auteur d'une thèse en génie des matériaux (1996)).)
Author: Christel Remy-Petipas
Author: Magali Castres
Author: Jean-Christophe Ichard