Caractérisations, défauts et contraintes internes induites lors du procédé de mise en forme des matériaux composites a matrice thermoplastique par thermoestampage

Characterizations, defects and residual stresses induced during thermostamping of woven-fabric reinforced thermoplastic prepregs

• Auteur / Autrice : Mohamed Gassoumi
• Direction : Frédéric Jacquemin, Laurent Orgéas
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 12/12/2018
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : COMUE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes)
• Jury : Président / Présidente : Xiao-Jing Gong
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pascal Casari, Pierre Dumont, Samir Allaoui, Joël Bréard

Mots clés

Mots clés contrôlés

Tomographie à rayons X

Contraintes résiduelles

Frottement

Thermoplastiques

Mots clés libres

Bias-extension

Résumé

Lors de leur mise en forme par thermo- estampage, les pré-imprégnés à matrice polymère thermoplastique et renfort fibreux tissé se déforment selon différents modes encore mal maîtrisés, dont les cisaillements plan et transverse, ce dernier traduisant la friction entre les plis tissés. Une fois formés, des contraintes résiduelles de fabrication sont également générées au cours du refroidissement des pré- imprégnés et altèrent leur stabilité dimensionnelle, tout comme les variations d’humidité relative. Dans ce travail, nous avons étudié ces deux aspects. Dans un premier temps, des essais de traction de biais ont été réalisés sur des pré-imprégnés de polyamide renforcés par des tissus de fibres de verre à hautes températures. L’analyse multi-échelle de la structure des échantillons déformés par tomographie à rayons X met en exergue des mécanismes de déformation des mèches de fibres dont certains ne sont pas pris en compte dans les modèles rhéologiques actuels. En outre, nous avons mis au point un dispositif pour l’étude du cisaillement transverse et la friction inter-plis. Les résultats obtenus montrent et quantifient les influences de la contrainte normale, de la vitesse de déformation et de la température sur le coefficient de frottement inter-plis. Un modèle de frottement basé sur le nombre d’Hersey est ensuite identifié. Dans un deuxième temps, l’exploitation de la mesure de la courbure globale des échantillons après refroidissement a permis d’estimer, via la théorie modifiée des stratifiées, les contraintes résiduelles et leur évolution avec les conditions hygrothermiques ambiantes.

During their thermo-stamping, prepregs made of thermoplastic polymer matrices and woven fabrics are subjected to large deformation including in-plane and transverse shear, the last deformation mechanism being related to inter-ply friction. Once shaped, prepregs can still deform due to residual stresses induced by their cooling and/or hygrometric variations. In this work, we focused on these two aspects. Firstly, prepregs made of polyamide reinforced by layers of woven fabrics (glass fibre bundles) were subjected to bias extension at high temperatures. The fibrous structure deformed specimens was analysed with X-ray microtomography, allowing fiber bundles deformation mechanism to be emphasized.Some of them are not taken into account in current rheological model developed for prepregs. In addition, using a dedicated apparatus, we performed transverse shear tests to analyse inter-ply friction within prepregs. Experimental results underline the influence of the normal stress, the shear strain rate and the temperature on the interplay friction coefficient. A friction model based on the Hersey number is then fitted. Secondly, we measure the curvatures of deformed prepregs was to estimate, via the modified laminated theory, residual stresses and their variation with temperature and relative humidity.