Mise en forme de composites carbone/PEEK dans le domaine caoutchoutique

Forming of carbon/PEEK composites in rubbery state

• Auteur / Autrice : Lilian Martineau
• Direction : Gérard Bernhart, France Chabert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 08/02/2018
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader-Albi (2009-....) - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Pascal Casari
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Bernhart, France Chabert, Christophe Derail, Gilles Régnier, Elisabeth Laurent
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Pascal Casari, Christophe Derail

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés mécaniques

Matériaux

Matières plastiques -- Thermoformage

Composites thermoplastiques

Mots clés libres

Matériaux composites

PEEK

Mise en forme

Etat caoutchoutique

Composite materials

PEEK

Forming

Rubbery state

Résumé

Les matériaux composites à matrices thermoplastiques renforcées de fibres longues sont étudiés de manière intensive pour leur introduction dans les prochaines générations de pièces structurales aéronautiques. Par ses performances thermomécaniques, l’unidirectionnel carbone/PEEK apparait comme un candidat possible, toutefois les procédés actuels de formage ne semblent pas en mesure de réaliser des pièces épaisses avec ce matériau. Ce travail de thèse a pour objectif de proposer un procédé innovant capable de réaliser des pièces composites carbone/PEEK épaisses de types cornières structurales en L ou en U. Le cœur du concept est la réalisation de l’étape de mise en forme dans le domaine caoutchoutique pour favoriser le glissement inter-plis et éviter ainsi la formation de défaut de type plissement quelle que soit l’épaisseur. Dans un premier temps, la fenêtre de processabilité adaptée à l’obtention d’une préforme a été définie en se basant sur les propriétés physiques de la matrice PEEK. La mise en application du procédé proposé, faite à partir des résultats collectés, a mis en évidence la complexité des mécanismes de déformation dans ces conditions spécifiques. Une meilleure compréhension de ces mécanismes a pu être apportée par une approche de modélisation et de simulation. Enfin, la santé matière et les performances des pièces réalisées par ce nouveau procédé ont été mesurées, la comparaison à des pièces obtenues par un procédé conventionnel de formage valide le procédé proposé.

Thermoplastic composite materials based on long carbon fibers are extensively studied to prepare their introduction in the next generation of structural parts in aerospace industry. Because of its thermomechanical properties, unidirectional carbon/PEEK appears as a potential candidate, however the current forming processes do not appear able to manufacture thick parts with this material. The aim of my PhD thesis is to propose an innovative process to produce thick carbon/PEEK parts of L-shape and U-shape profiles. The heart of the concept is to carry out the step of deformation when the matrix is in the rubbery state to promote inter-ply sliding and thus avoiding the formation of wrinkling defect whatever the thickness. In a first step, the processing window suitable to obtain a preform was defined based on the physical properties of the PEEK matrix. The implementation of the proposed method, based on the results collected, has highlighted the complexity of the deformation mechanisms under these specific conditions. A better understanding of these mechanisms has been provided by a modeling and simulation approach. Finally, the material properties and the performance of the parts produced by this new process have been measured, the comparison with parts obtained by a conventional forming process validates the proposed process.