Caractérisation et modélisation du comportement électrique de matériaux CFRP pour le suivi de cuisson et la surveillance de structures aéronautiques

Characterization and modeling of the electrical behavior of CFRP materials for the monitoring of the cure and the structural health of aeronautical structures

• 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
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Noël Périé
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Godin, Frédéric Sarry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Avions -- Matériaux

Impédance électrique

Fibres de carbone

Mots clés libres

Fabrication des structures en CFRP

Instrumentation

Impédancemétrie électrique

Suivi de cuisson

Surveillance d'état de santé

CFRP production

Instrument

Electrical impedancemetry

Cure Monitoring

Structure health monitoring

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.[...]

In the context of manufacturing carbon fibre reinforced polymer (CFRP) structures, conventional cure monitoring techniques are usually based on expensive measurement systems using dedicated sensors. In this thesis, an innovative method of real-time cure monitoring using electrical impedancemetry (EI) and self-sensing material is developed, in order to reduce the cost of CFRP production, to be able to detect anomalies during curing, to optimise product quality and to functionalise in-service CFRP structures with the same instrumentation. An ad-hoc, low-cost, robust, multi-channel and multi-physics (electrical and thermal measurements) bench was designed and developed in the ICA laboratory to monitor the cure of various samples of CFRP (NC66/NA1808) and its unreinforced matrix. The materials were characterised using conventional thermal and rheological analysis to highlight the physico-chemical transitions of the resin during a specific cure cycle. The rheological critical points identified by conventional analysis were compared with the results of EI measurements during the same cure cycle in oven. A significant correlation between the physicochemical changes (in the degree of cure α) of the materials during curing and those of the electrical parameters (in the modulus |Z|, the argument θ and their derivatives in time) was observed. A rheological-electrical correlation approach to CFRP polymerization kinetics using the Kamal-Sourour model has been carried out with explicit empirical functions. The general shape and trends of these EI measurement results are in good agreement with those obtained in preliminary work on T700/M21 samples using the first bench with a Hioki IM3570 specific impedance analyser. The proposed approach is neither material nor instrumentation dependent and can be used to define typical signatures on CFRP to facilitate cure monitoring. In addition, the proposed approach not only monitors curing, but also detects faults during curing as a vacuum break and an interruption of a few minutes during curing. Electrical modelling of post-cure CFRP (T700/M21) was proposed to describe the electrical-geometric correlation of CFRP cured on a ply. Three configurations of fibre distribution as a function of geometric parameters (fibre volume fraction, percolation distances and fibre waviness) were applied, in order to obtain square, hexagonal, or random distributions. A DKMC (Discrete Kirchhoff-Monte Carlo) model integrating resistive and capacitive aspects was developed to describe the complex electrical behaviour of a ply under AC electrical excitation, below or above the percolation threshold (depending on the fibre volume fraction), and to integrate a frequency analysis. Copper fabric electrodes that remain in the CFRP structure after curing can be used to monitor the health of in-service structures. The feasibility of using a carbon fibre wick as an electrode was examined. In addition, the feasibility of using the instrumented material as an actuator to perform active non-destructive testing and de-icing in a targeted area (e.g. aircraft flight surfaces) was investigated using infrared thermography observations. The results of this work are interesting for industrial applications and can be easily transferred. The bench developed in the ICA laboratory represents only 15% of the cost of the previous IE measurement bench using a Hioki IM3570, and allows users to add different plug-ins for different measurement needs, and easily replace electronic components in the event of failure.