Méthodologie de la caractérisation de l'architecture 3D et multi-échelle de composites renforcés par des fibres

Methodology of characterisation of the 3D and multi-scale architecture for fibre-reinforced composites

• Auteur / Autrice : Sylvie Teyssier
• Direction : Gérard Merle
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux polymères et composites
• Date : Soutenance en 2004
• Etablissement(s) : Chambéry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tomographie

Imagerie tridimensionnelle

Industrie et commerce -- methodes controle

Composites à fibres

Résumé

La démarche proposée dans ce manuscrit s'inscrit dans une problématique industrielle visant à optimiser les performances dieléctriques et mécaniques des pièces électrotechniques isolantes fabriquées en matériaux composites, à base d'une matrice thermodurcissable de polyester insaturé, chargés et renforcés (de type SMC ou BMC). Les travaux réalisés consistent essentiellement à intégrer, à différents niveaux de processus industriel de réalisation des pièces, des méthodes de contrôle et de caractérisation de l'architecure 3D. La morphologie interne dépend conjointement de la forme de la pièce, de la formulation ainsi que du procédé de mise en oeuvre. Etant donné la complexité géométrique des pièces et les natures varièes des hétérogénéités structurales, la technique de contrôle non destructive de tomographie aux rayons X est retenue. Une large gamme de résolutions (quelques dizaines de micromètres à un micron, voire moins) peut être obtenue graâce à l'utilisation de plusieurs équipement. D'une part, la corrélation entre la qualité structurelle des pièces et leur tenue fonctionnelle est démontrée. Nous nous interessons d'autre part à la disposition relative des éléments qui constituent le composite, que ce soient les porosités ou les fibres de renforcement. Les études sont à la fois quantitatives et multi-échelles. Après binarisation des images, un réseau poral complexe est mis en évidence. Quant à l'orientation des fibres, une méthode originale, à partir d'images en niveau de gris, basée sur la fonction d'autocorrélation, est développée. Elle permet la prédiction de l'anisotropie des tenues au choc et confirme que la variabilité des propriétés peut être imputable à l'hétérogénéité architecturale.

The work presented in this document forms part of a wider industrial problem aimed at optimizing the dielectric and mechanical performances of insulating electrotechnical components. These parts are manufacturated using composite materials based on a thermosetting unsaturated polyester matrix, filled and reinforced with glass fibres (SMC and BMC, for instance). The work line essentially consists of integrating into the industrial process of fabrication of the part at various levels, methods of control and characterization of the 3D structure. Internal morphology depends jointly on the shape of the part, the formulation, as well as the moulding process. Due to the geometrical complexity of the parts and the varied nature of the structural heterogeneities, the non-destructuve technique of X-ray tomography is the preferred technique. A large range of resolution (from a few tens of micrometers to one micron, or even less) can be obtained using different equipment. On the one hand, the correlation between the structural quality of the parts and their functional behavior is shown. On the other hand,we are interested in the relation of the relative arrangement of the elements which constitute the composite (porosites and reinforcin fibres). Studies are at the same time quantitative and multi-scale. After binarisation of images, a complex poral network is highlighted. Concerning the orientation of the fibres, an original method based on the autocorrelation function has been developed. It allows the prediction of the anisotropy of impact resistance and confirms that the variability of the mechanical properties can be linked to the architectural heterogeneity.