Élaboration et optimisation des propriétés de renforts carbone sous forme de tresses, renforcés dans l'épaisseur, pour applications composites

Realisation and optimisation of the properties of carbon braids, reinforced through the layers, for composites applications.

• Auteur / Autrice : Justine Calba
• Direction : Damien Soulat, Xavier Legrand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 19/06/2024
• Etablissement(s) : Université de Lille (2022-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École graduée Sciences de l’ingénierie et des systèmes (Lille ; 2021-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : GEMTEX (Roubaix)
• Jury : Président / Présidente : Joël Bréard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Dominique Poquillon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Godin, Michel Tourlonias

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Détérioration

Fibres de carbone

Composites tressés

Mots clés libres

Carbone

Composite

Tressage

Renfort par piquage

Dégradation matière

Carbon

Composite

Braiding

Tufting

Degradation

Résumé

Les renforts réalisés par tressage connaissent un engouement croissant pour la fabrication de pièces composites, notamment pour les industries spatiales et de la défense. Avec des temps de fabrication rapides et la possibilité de tresser des formes complexes en une seule étape, le tressage offre une solution attrayante pour ces secteurs à haute valeur ajoutée. Pour des applications à base de fibres de carbone, recherchées pour leurs propriétés mécaniques et chimiques, leur bonne tenue en température et un gain en masse vis-à-vis des matériaux métalliques, le suivi de la qualité matière au cours de toutes les étapes de fabrication de ces renforts tressés est essentiel. Ces travaux s'inscrivent dans cet objectif et, à l'aide d'une démarche expérimentale, analysent les paramètres mis en jeu lors de la mise en œuvre de structures tressées carbone, renforcées dans l'épaisseur. Depuis le bobinage des rovings carbone, suivi des étapes de surtressage sur mandrin et de compactage, puis de renforcement par piquage, l'ensemble de la chaîne de fabrication est étudié afin de maitriser les paramètres de chaque étape et de limiter la dégradation du carbone, matériau fragile et cassant. A l'échelle des mèches, un critère de dégradation est défini afin de suivre l'évolution de la santé matière de ces mèches de carbone au cours des étapes de bobinage et de tressage. A l'échelle des structures constituées de plusieurs couches de tresses, obtenues par surtressage sur mandrin, l'analyse est portée sur les propriétés-clés de ce renforts, telles que l'angle de tressage ou le facteur de recouvrement, et ce en fonction des caractéristiques des pièces ciblées. Enfin la maîtrise des paramètres mis en jeu lors du renforcement dans l'épaisseur par piquage est abordée dans le dernier chapitre.

Braided reinforcement structures are a growing part of the global composites market, particularly in the defense and aerospace fields. With shorter production times and the ability to create complex shapes in a single step, the braiding technology is an alluring solution for composite materials with high added value. For carbon-based applications, sought after for their interesting mechanical and chemical properties, good temperature stability, and a lighter weight compared to similar metallic-based materials, quality control is essential throughout the entire manufacturing process. The work presented here comes within the scope of this goal and thanks to experimental studies, presents an analysis of the production line of carbon-based braided structures, reinforced through-the-thickness. From the rewinding process, followed by the braiding and compacting phases, all the way to the tufting process, the entire manufacturing line is reviewed to better understand the stakes in each process and minimize the degradation of the carbon fibers, which are a fragile and brittle material. On the scale of the carbon rovings, a degradation criterion is developed to track the quality of those rovings through the rewinding and the braiding processes. On the multi-layered braided structures, produced by over-braiding a mandrel, the analysis is focused on the key properties of this reinforcement material, such as the braiding angle or the cover factor. Finally, the control of influential parameters in play on through-the-thickness reinforcement is tackled on the last chapter.