Modeling the impregnation of multiscale fibrous media : morphology, wetting and permeability
Modélisation multi-échelle de l’imprégnation d’un milieu fibreux : morphologie, mouillage et perméabilité
Résumé
The impregnation of fabrics, which are double-scale fibrous media that are commonly used to reinforce composite materials, remains to this day a relatively poorly controlled process. The increasing use of natural, bio-based fibres which present specific features, such as their sensitivity to humidity, accentuates the need for a better understanding of the involved phenomena. This thesis explores the importance of the double pore scale of the fabric, often ignored by the models despite its influence on most of the processes involved. The pore morphology was characterized by quantitative image analysis, while the microstructure of the fibrous preforms could also be extracted from numerical simulations of their mechanical behavior. An intensive focus was then made on the influence of capillarity within the tows. A detailed study of wetting dynamics allowed the identification of a transition between two modes of dissipation, depending on the contact-line velocity, which may also be observed at a macroscopic scale in infiltration processes. The modeling of a double-scale porous medium's permeability, associated with the derivation of the capillary pressure in a dynamic regime, finally lead to the formulation of a model, which describes the impregnation kinetics of a unidirectional medium for a specific flow regime.
L'imprégnation de tissus, préformes fibreuses à double échelle couramment utilisées pour renforcer des composites, reste aujourd'hui un processus mal maîtrisé. Le recours croissant à des fibres naturelles d'origine végétales, qui présentent des spécificités comme leur sensibilité à l'humidité, accentue la nécessité d'une meilleure compréhension des phénomènes mis en jeu. Cette thèse a permis de mettre en avant l'importance de la double échelle de pores au sein des tissus, souvent ignorée par les modèles alors qu'elle influence la plupart des phénomènes rencontrés. La morphologie des pores a été caractérisée par analyse d'image quantitative, et la microstructure des préformes fibreuses a pu être extraite de simulations numériques de leur comportement mécanique. Une attention particulière a ensuite été portée sur l'influence de la capillarité au sein des mèches. L'étude détaillée de la dynamique du mouillage a permis d'identifier une transition dans les modes de dissipation, liée à la vitesse de la ligne triple, et que l'on retrouve à une échelle macroscopique lors de l'infiltration. La modélisation de la perméabilité d'un milieu à double échelle, associée à une détermination de la pression capillaire en régime dynamique, a finalement mené à l'établissement d'un modèle décrivant l'imprégnation d'un milieu unidirectionnel pour un régime spécifique d'écoulement.
Origine : Version validée par le jury (STAR)