Caractérisation et modélisation du comportement électrique de matériaux CFRP pour le suivi de cuisson et la surveillance de structures aéronautiques
Auteur / Autrice : | Huikangyue Bao |
Direction : | Philippe Olivier, Philippe Marguerès |
Type : | Thèse de doctorat |
Discipline(s) : | Génie mécanique, mécanique des matériaux |
Date : | Soutenance le 14/12/2023 |
Etablissement(s) : | Toulouse 3 |
Ecole(s) doctorale(s) : | École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse) |
Partenaire(s) de recherche : | Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....) |
Jury : | Président / Présidente : Damien Soulat |
Examinateurs / Examinatrices : Jean-Noël Périé | |
Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Godin, Frédéric Sarry |
Mots clés
Résumé
Dans le contexte de la fabrication de structures en polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP), les techniques conventionnelles du suivi de cuisson sont sur la base de systèmes de mesure généralement coûteux utilisant des capteurs dédiés. Dans cette thèse, une méthode innovante de suivi de cuisson en temps réel utilisant l'impédancemétrie électrique (IE) et le matériau lui-même comme capteur est développée. Cette approche vise à réduire le coût de production du CFRP, à pouvoir détecter les anomalies pendant les cuissons, d'optimiser la qualité des produits et de fonctionnaliser le CFRP en service avec le même système de surveillance. Un banc ad-hoc, peu-coûteux, robuste, multivoies et multiphysique (mesure électrique et thermique) a été conçu et développé au sein du laboratoire ICA pour suivre la cuisson de différents échantillons CFRP (NC66/NA1808) et sa matrice non-renforcée. Les matériaux ont été caractérisés par les analyses conventionnelles thermiques et rhéologiques afin de mettre en évidence les transitions physico-chimiques de la résine au cours d'un cycle spécifique de polymérisation. Les points critiques rhéologiques identifiés par analyses conventionnelles ont été comparés avec les résultats de mesure IE dans le même cycle de cuisson en étuve. Une corrélation importante entre les changements physico-chimique (au niveau du degré d'avancement α) des matériaux en cours de cuisson et ceux de paramètres électriques (en module |Z|, argument θ et leurs dérivées temporelles) a été observée. Une approche de la corrélation rhéologique-électrique de la cinétique de polymérisation d'un CFRP en utilisant le modèle Kamal-Sourour a été effectuée avec des fonctions explicites empiriques. Les formes et tendances globales de ces résultats de mesure IE sont en bonne concordance avec celles obtenues dans les travaux préliminaires sur des échantillons T700/M21 à l'aide du premier banc utilisant un analyseur d'impédance spécifique Hioki IM3570. L'approche proposée n'est ni matériau, ni instrumentation dépendante et peut être utilisé afin de définir des signatures typiques sur CFRP pour faciliter le suivi de cuisson. De plus, l'approche proposée permet non seulement de suivre la cuisson mais également de détecter les défauts pendant le cycle de cuisson tels une rupture de vide et une interruption de quelques minutes au cours de la cuisson. Une modélisation électrique du CFRP (basée sur l'étude de préimprégnés T700/M21) en post-cuisson a été proposée afin de décrire la corrélation électrique-géométrique du CFRP cuit au niveau d'un pli. Trois configurations de répartition de fibres en fonction de paramètres géométriques (la fraction volumique de fibres, les distances de percolation et l'ondulation des fibres) ont été appliqués en forçant une distribution carrée, hexagonale et aléatoire. Un modèle de type DKMC (Discret Kirchhoff-Monte Carlo) en intégrant les aspects résistifs et capacitifs a développé afin de décrire un comportement électrique complexe d'un pli sous excitation électrique alternative, en-dessous ou au-dessus du seuil de percolation (en fonction de la fraction volumique de fibres), et d'intégrer une analyse fréquentielle. Les électrodes en toile de cuivre restant dans la structure CFRP après la fin de cuisson peuvent être utilisées pour la surveillance de la santé structurelle en service. La faisabilité de l'utilisation d'une mèche de fibre de carbone comme électrode a été abordée. De plus, la faisabilité d'utiliser le matériau instrumenté comme actionneur pour effectuer du contrôle non destructif actif et du dégivrage dans une zone ciblée a également été étudiée à l'aide d'observations par thermographie infrarouge.[...]