Comportement des composites thermodurcissables durant la cuisson : mesure des déformations, caractérisation et modélisation du comportement rhéologique

Behavior of thermoset composites during the cure : measurement of process-induced Strains, characterization and modeling of the rheological behavior

• Auteur / Autrice : Rima Sfar Zbed
• Direction : Steven Le Corre, Vincent Sobotka
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Energétique, thermique, combustion
• Date : Soutenance le 07/11/2022
• Etablissement(s) : Nantes Université
• Ecole(s) doctorale(s) : Sciences de l'ingénierie et des systèmes (Nantes Université)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Thermique et Energie de Nantes
• Jury : Président / Présidente : Véronique Michaud
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mael Péron, Pierre Dumont
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laurent Orgéas, Pascal Hubert

Mots clés

Mots clés contrôlés

Anisotropie

Solides -- Dilatation

Composites thermodurcissables

Mots clés libres

Comportement Rhéo-cinétique

Retrait chimique

Rheo-kinetic behavior

Chemical shrinkage

Résumé

En raison de la nature anisotrope et hétérogène des composites thermodurcissables, l'interaction entre des phénomènes multi physiques complexes pendant la cuisson de ces matériaux joue un rôle majeur dans la génération de contraintes résiduelles. Ces dernières produisent plusieurs défauts comme la déformation des pièces et la réduction de la résistance mécanique des composants composites. Une modélisation fine du comportement du matériau est donc nécessaire pour prédire la forme finale des pièces et leurs propriétés. Afin d'alimenter ces modèles et évaluer leur précision, des mesures directes et fiables des propriétés des composites pendant leur cuisson sont nécessaires, bien qu'elles représentent encore de réelles verrous. Dans ce but, le travail présenté dans cette thèse s'est d'abord concentré sur la caractérisation des déformations induites en cours de cuisson d’un pré-imprégné thermodurcissable de type Epoxy/Carbone UD en utilisant un dispositif expérimental nommé PvT-HADDOC. Le comportement du matériau UD a été prouvé orthotrope avec des CTE et CCS mesurés beaucoup plus élevés à travers l'épaisseur. Les CTE ont été estimés à l’état cru et cuit. Le retrait chimique a été mesuré dans les deux directions transversales. Il a été démontré que le matériau ne se rétracte pas de la même manière avant et après la gélification. Enfin, un modèle rhéocinétique analytique basé sur le modèle viscoélastique de Burgers a été développé. Il a été prouvé que pendant la phase de pré-gélification, le comportement du pré-imprégné étudié, supposé à l'état caoutchouteux, peut être décrit avec précision par un comportement de type fluide.

Due to the anisotropic and heterogeneous nature of thermoset composites, interaction between complex multi-physical phenomena during the cure of these materials play a major role in generating residual stresses. The latter lead to several defects like part distortion and reduced mechanical strength of composite components. A fine modeling of the material behavior is therefore necessary to predict the final shape of parts and their properties. To feed the models and assess their accuracy, reliable direct measurements of the composite properties during the cure are crucial while they are still a considerable challenge. For this purpose, the work presented in this thesis has firstly focused on the characterization of the process-induced strains throughout the entire cure of a thermoset-interlayered carbon/epoxy UD prepreg using a laboratory bench named as PvT-HADDOC. Analyses of cure behavior revealed an orthotropic behavior of the studied UD material with measured CTE and CCS much higher through the thickness direction. CTE were estimated in the uncured and cured glassy states. Cure shrinkage was measured along both transverse directions and has proved that the material does not shrink likewise before and after gelation. Finally, an analytical rheo-kinetic model based on Burgers viscoelastic model was developed. It has been proven that during the pre-gelation stage, the studied prepreg behavior, assumed in the rubbery state, can be accurately described by a fluid-like behavior.