Etude de la porosité dans les matériaux composites stratifiés aéronautiques

Voids in aeronautical composite laminates

• Auteur / Autrice : Yohann Ledru
• Direction : Gérard Bernhart, Robert Piquet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique et matériaux
• Date : Soutenance le 14/12/2009
• Etablissement(s) : Toulouse, INPT
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département mécanique des structures et matériaux - Centre de Recherche Outillages, Matériaux et Procédés (Albi ; 2000-2009)

Mots clés

Mots clés libres

Matériau composite

Préimprégné

Porosité

Modélisation

Analyse d’image

Diffusion

Composite materials

Prepreg

Void

Modeling

Image analyses

Diffusion

Résumé

La mise en œuvre des préimprégnés unidirectionnels à fibre de carbone et résine époxyde est une étape fondamentale pour la conception de pièces structurales aéronautiques. Elle influe directement sur la qualité de la pièce et notamment sur la quantité de défauts poreux qu’elle renferme. Ainsi, deux phénomènes de création de la porosité ont été identifiés expérimentalement : l’un mécanique, l’autre thermodynamique. Une fois créés, ces défauts peuvent être extraits hors de la pièce si le marouflage et le cycle de polymérisation favorisent cette évacuation gazeuse. Les effets sur la porosité de la température et de la pression imposées pendant la réticulation de la résine sont modélisés en prenant en compte les phénomènes thermo-diffuso-mécaniques entre la résine et la bulle de gaz. Un protocole expérimental reposant sur l’analyse d’image a été développé afin de quantifier le plus précisément possible le taux volumique de porosité, ainsi que leurs tailles et leurs localisations.

Long fiber reinforced epoxy matrix composite laminate manufacturing process is divided into several stages. The most critical one is the polymerization stage. If not optimized, defects in the bulk material such as voids can occur. The aim of this work is to investigate the void formation and evolution processes in order to improve the thermoset laminates quality in minimizing the void ratio. Two phenomena causing void formation have been identified. The first is the mechanical entrapment of gas bubbles between prepreg plies during the lay up. Second is a thermodynamical one. Solvents and humidity absorbed by the prepreg during its manufacturing can be evaporated by increasing the temperature. Then, it has been shown that the vaccum bag lay up permeability in combination with the vaccum pressure could favour the gas washing out. In parallel, thermo-mechanical and diffusion models are coupled to obtain an accurate void size prediction along temperature and pressure applied during the polymerisation. In fact, these two parameters induce variations of the gas bubble radius inside resin. The first experimental results seem to validate qualitatively the calculated void size behaviour. Indeed, hydrostatic pressure imposed during polymerization plays a very important role on gas bubble shrinkage. Finally, a new experimental setup using image analyses has been developed to measure as accurate as possible the volume void ratio. Under specific conditions, stereology allows to extrapolate 2D results to 3D ones. Void ratios obtained with this method are in good agreement with acid digestion results. Complementary morphometric studies on void shapes have given new information about the heterogeneous void distribution in the specimen and also on the statistical void size distribution versus polymerization conditions.