Caractérisation expérimentale et modélisation de la performance des composites NCF et de leur tenue au vieillissement hygrothermique.

Experimental characterization and modeling of the performance of NCF composites and their resistance to hygrothermal aging

• Auteur / Autrice : Adam Bezzou
• Direction : Frédéric Jacquemin, Pascal Casari, Mael Péron
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 14/06/2021
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes ; 2004-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michelle Salvia, Marco Gigliotti, Joseph Absi
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Jacques Liotier, Michelle Salvia

Mots clés

Mots clés contrôlés

Hygrothermoélasticité

Modélisation tridimensionnelle

Fissuration

Composites

Mots clés libres

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Résumé

Les recherches se sont multipliées dans le développement des nouvelles familles de matériaux composites Non-Crimp Fabric (NCF) afin de répondre aux critères de hautes performances, telles que la résistance et la durabilité. Grâce à leur bonne drapabilité, les renforts NCF sont combinés à des procédés de fabrication du type RFI (Resin Film Infusion) permettant de fabriquer des structures complexes et de grandes tailles tout en minimisant les coûts de fabrication par rapport aux procédés préimprégnés. Le présent travail porte sur une nouvelle génération de renforts NCF biaxiaux développés dans le cadre du projet NCF-HP² (pour Hautes Performances et Haute Productivité). La présence de fil de couture dans le NCF semble être problématique, car il entraîne une morphologie hétérogène sous forme de zones riches en résine (ZRR). Ces dernières sont à l’origine des premières microfissures dans les composites NCF soumis au vieillissement hygrothermique accéléré. La morphologie et la taille de ces ZRR peuvent dépendre de plusieurs paramètres dont le type de fil de couture (taille, nature, etc.) et de renforts NCF ([+45/-45], [0/90]) utilisés. Dans cette étude, les stratifiés NCF quasi-isotropes (QI) ont été sollicités par des cycles hygrothermiques accélérés représentatifs des conditions de service d’un jet subsonique au cours de son cycle de vie. Une méthode de caractérisation expérimentale basée sur des observations 2D et 3D est utilisée afin d’analyser l’évolution des microfissures au cours des cycles appliqués. L'impact de plusieurs paramètres du NCF sur la microfissuration hygrothermique a été discuté. Enfin, dans le but d’optimiser ces paramètres et de limiter l’apparition des microfissures dans le NCF, une approche numérique basée sur la méthode des éléments finis (MEF) a été développée et appliquée.

Research has been intensified in the development of new families of Non-Crimp Fabric (NCF) composites to satisfy high performance requirements such as toughness and durability. Due to their good drapability, NCF reinforcements are combined with manufacturing processes such as RFI (Resin Film Infusion) allowing the production of large and complex structures while minimizing manufacturing costs compared to prepreg processes. The current study concerns a new generation of biaxial NCF reinforcements developed in the NCF-HP² project (for High Performance and High Productivity). The presence of stitching yarn in NCF seems to be problematic as it induces a heterogeneous morphology in the form of resin-rich areas (RRA). These RRA are the reason for the first microcracks in NCF composites subjected to hygrothermal ageing. The morphology and size of the RRA may depend on several parameters including the type of stitching yarn (size, nature, etc.) and the NCF reinforcements ([+45/-45], [0/90]) used. In this study, quasi-isotropic NCF laminates (QI) were subjected to an accelerated hygrothermal ageing representative of the service environment of a subsonic jet over its lifecycle. An experimental characterization method based on 2D and 3D observations is used to analyze the evolution of microcracks during the applied cycles. The effects of several NCF parameters on hygrothermal microcracking were discussed. Finally, in order to optimize these parameters and to reduce the occurrence of microcracks in the NCF, a numerical approach based on the Finite Element Method (FEM) was carried out.