Étude de la mise en oeuvre de composites thermostables cyanate-ester pour pièces structurales aéronautiques tièdes

Study of thermostable cyanate-ester composite for warm aircraft structural parts

• Auteur / Autrice : Lilia Zemni
• Direction : Gérard Bernhart, Gilles Dusserre
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 14/03/2019
• 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 : Valérie Nassiet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Bernhart, Gilles Dusserre, Vincent Sobotka, Frédéric Léonardi, Lénaïk Belec
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Vincent Sobotka, Frédéric Léonardi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Composites à fibres de carbone

Moulage par injection

Polymérisation

Thermodurcissables

Mots clés libres

Matrice thermostable

Cyanates ester (CEs)

RTM (Resin Transfer Molding)

Modélisation de la cinétique de réaction

Propriétés thermiques FC/CE

Thermostable matrix

Cyanates esters (CEs)

RTM (Resin Transfer Molding)

Cure kinetics modelling

Thermal properties of the composite (FC/CE)

Résumé

Les pièces situées dans des zones chaudes/tièdes (300-400°C) de l'avion sont actuellement en titane (mât moteur) ou en composite à matrice époxy (plenum). Comment pourrait-on diminuer la masse de ces pièces tout en évitant leur dégradation à hautes températures de fonctionnement ? Le projet TACT (Technologie pour Aérostructures composites Tièdes), porté par Nimitech Innovation® (Groupe LAUAK), propose une solution innovante consistant à mettre en oeuvre par voie RTM des pièces structurales tièdes à base de renfort en fibres de carbone (FC) et de matrice Cyanate ester (CE). Le choix de la matrice thermodurcissable CE est justifié par son caractère thermostable, c'est-à-dire sa capacité d'opérer en continu à de hautes températures de fonctionnement (avec une température de transition vitreuse Tg>300°C). Par ailleurs, elle possède la facilité de mise en oeuvre des époxydes du fait qu'elle s'adapte généralement bien aux paramètres du procédé RTM. Toutefois, l'exothermie élevée de la matrice CE lors de la réticulation implique un gradient de température dans la pièce composite et peut ainsi engendrer des problèmes de surchauffe. Les travaux scientifiques menés dans le cadre de cette thèse se focalisent sur la problématique de surchauffe de la résine pendant le processus de polymérisation très exothermique dans le moule RTM. L'objectif serait ainsi de maîtriser le cycle de cuisson du composite afin d'éviter tout problème d'emballement ou de dégradation pendant la réticulation de la matrice. Dès lors, la thèse s'organise de la manière suivante : dans un premier temps, le comportement thermocinétique de la matrice CE (pure et catalysée) est analysé pendant l'étape de réticulation, et ceci dans l'optique de contribuer à l'optimisation de cycle de cuisson lors de la mise en oeuvre du composite FC/CE par procédé RTM. Ensuite, les propriétés thermiques (capacité calorifique, conductivité, diffusivité) en fonction du degré d'avancement de la résine CE sont menés afin d'évaluer le gradient thermique régi par l'équation de la chaleur permettant de maîtriser la cuisson de la résine dans l'épaisseur. Par ailleurs, la vitrification de la matrice CE est étudiée par le suivi de la température de transition vitreuse Tg en fonction de la température et du taux d'avancement à l'aide de différents techniques de mesure (DSC, DMA, TMA). Enfin, une modélisation de la vitrification à l'aide du modèle Di-Benedetto permettra l'estimation de la température de la transition vitreuse Tg ∞ pour le réseau tridimentionnel entièrement réticulé.

Aeronautical parts which operate in high temperature area (300-400°C) are currently made of titanium (aircraft pylon) or composite materials based on epoxy matrix (plenum). In which extent the weight of these pieces could be reduced as well as avoiding their degradation when operating at these working temperature ranges? TACT project (Technologie pour Aérostructures composites Tièdes), overseen by Nimitech Innovation® (Groupe LAUAK), suggests an innovative solution based on the development of high performance composites parts reinforced by carbon fibers (CF) and cyanate ester matrix (CE) through RTM process. The CE resin belongs to the class of high-performance thermosetting polymers and is mainly chosen in this project due to its thermal stability when operating at high temperatures (with a glass transition Tg>300°C), as well as epoxy-like processability. However, the cross-linking reaction exhibits highly exothermic process, resulting in non-linear increase in internal temperature, which may cause a temperature overshoot. The scientific work carried out within this thesis focuses on the problem of overheating of the resin during the highly exothermic polymerization process in the RTM mold. The objective would thus be to control the curing cycle of the composite in order to avoid problems of runaway or degradation during the crosslinking of the matrix. Hence, the thesis is organized as follows: firstly, thermokinetic behavior of CE resin is analyzed during the crosslinking process in order to optimize the curing cycle. Secondly, thermal properties (heat capacity, conductivity, diffusivity) are identified as a function of the conversion degree in order to evaluate the thermal gradient covered by the heat equation making it possible to control the curing along the thickness of the composite. Moreover, the vitrification of the cyanate ester matrix is studied by monitoring the glass transition temperature Tg as a function of the temperature and conversion degree using different methods (DSC, DMA, TMA). Finally, Di-Benedetto model, a vitrification model, is chosen in order to identify the glass transition temperature Tg∞ of a full crosslinked resin.