Compréhension des interfaces / interphases formées dans les composites PPS / fibres de carbone et PPS / fibres de basalte réalisés à partir de mèches comélées et retordues

Study of the interfaces created in PPS / carbon fibers and PPS basalt fibers composites obtained from commingled yarns and twisted yarns

• Auteur / Autrice : Baptiste Gaumond
• Direction : Jannick Duchet-Rumeau, Sébastien Livi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Matériaux
• Date : Soutenance le 04/09/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ingénierie des Matériaux Polymères (Auvergne Rhône-Alpes ; 2007-....) - Ingénierie des Matériaux Polymères / IMP
• Jury : Président / Présidente : René Fulchiron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jannick Duchet-Rumeau, Sébastien Livi, René Fulchiron, Véronique Michaud, Valérie Nassiet, Brigitte Defoort
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Véronique Michaud, Valérie Nassiet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Micromécanique (ingénierie)

Adhésion (physique)

Composites thermoplastiques

Mots clés libres

Matériau

Composite thermoplastique

Mèches comélées

Adhérence

Interface

Interphase

Liquide ionique

Compatibilisation

Micromécanique

Polysulfure de phénylène

Fibre de carbone

Fibre de basalte

Contrainte de cisaillement

Vieillissement humide

Mélange de polymères

Materials

Thermoplastique composite

Commingled yarns

Adherence

Inteface

Interphase

Ionic liquid

Compatibilizing agent

Micromechanical tests

Polyphenylene sulfide

Carbon fiber

Basalt fiber

Shear stress

Wet aging

Polymers blend

Résumé

Ces travaux de thèse sont consacrés à la compréhension des relations structures-propriétés des matériaux composites réalisés à partir de mèches hybrides composées de la matrice thermoplastique, le polysulfure de phénylène et de renforts qui peuvent être soit du carbone soit du basalte. Plusieurs axes de recherche ont été approfondis dans ces travaux : i) l’impact des procédés de fabrication des mèches sur les propriétés finales des composites, ii) la compréhension des interactions fibres-matrice dans les systèmes étudiés et iii) l’optimisation de ces interactions à l’interphase. Ces travaux ont démontré le lien établi entre les propriétés mécaniques et structurelles des mèches hybrides et les propriétés finales des matériaux composites obtenus. Le procédé de comélage par air conditionne en partie les propriétés finales des composites en diminuant les propriétés mécaniques des fibres de renfort. Cette dégradation n’est pas observée pour le procédé de retordage. Dans le même temps, les composites obtenus par comélage sont de meilleure qualité en termes d’homogénéité, propriétés mécaniques et taux de porosité par rapport à ceux issus du procédé de retordage. Dans un second temps, l’adhérence de l’ensemble des systèmes étudiés a été évaluée à l’échelle micromécanique et corrélée à l’échelle macroscopique. Des essais de vieillissement accélérés ont également été conduits pour discriminer les solutions les plus durables. Une dernière partie de ces travaux est consacrée à l’optimisation des propriétés interfaciales des systèmes étudiés. Les deux voies explorées ont donné des résultats intéressants : l’utilisation d’un mélange polymère PPS / PE-EMA-GMA a permis d’améliorer jusqu’à 56 % l’IFSS avec les fibres de basalte et l’utilisation d’un sel imidazolium en tant qu’agent interfacial dans la matrice a permis d’améliorer de 25 % l’IFSS obtenu avec les fibres de carbone.

This thesis work is devoted to the understanding of the structure-properties relationships of composite materials made from hybrid rovings composed of the thermoplastic matrix, polyphenylene sulphide, and reinforcements that can be either carbon or basalt. Thus, several lines of research have been pursued in this work: i) the impact of the commingling process on the final properties of composites, ii) the understanding of fiber-matrix interactions and iii) the optimization of those interactions in the interface. This work first demonstrated the link established between the mechanical and structural properties of the hybrid yarns and the mechanical properties of composite materials. The air commingling process degrades the resistance of the fibers and this is observed both on filaments tensile tests and commingled yarns. This degradation is not observed on twisted yarns. In the same time, composites based on commingled yarns show a better homogeneity, mechanical properties and a lower porosity rate. In a second step, the adhesion developped in all composite systems was evaluated at the micromechanical scale and correlated at the macroscopic scale. Accelerated ageing tests were also carried out to discriminate the most durable solutions. A final part of this work is devoted to the optimization of the interfacial properties of the systems studied. Two solutions were developed and gave interesting results: the use of a PPS / PE-EMA-GMA polymer mixture allowed to improve up to 56% the IFSS with basalt fibers and the use of an imidazolium salt as interfacial agent in the matrix allowed to improve by 25% the IFSS obtained with carbon fibers.