Conception et caractérisation de structures composites à géométrie adaptative à l’aide de renforts tissés multicouches 3D

Design and characterization of adaptive geometry composite structures using 3D multilayer woven reinforcements

• Auteur / Autrice : Zakariya Zubair
• Direction : Gildas L'Hostis
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 09/10/2020
• Etablissement(s) : Mulhouse
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, sciences de l'information et de l'ingénieur (Strasbourg ; 1997-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique et mécanique textiles (Mulhouse) - Laboratoire de Physique et Mécanique Textiles - LPMT - UR4365 / LPMT

Mots clés

Mots clés contrôlés

Effet mémoire de forme

Propriétés mécaniques

Composites polymères

Mots clés libres

Composite polymère à mémoire de forme

Renforcement multicouche 3D

Propriété de mémoire de forme

Propriété de récupération de la forme

Pliage en trois points

Résistance au cisaillement interlaminaire

Balayage optique 3D

Couche active

Shape memory polymer composite

3D multilayer reinforcement

Shape memory property

Shape recovery property

Three-point bending

Interlaminar shear strength

3D optical scanning

Active layer

Résumé

Les composites à base de polymères à mémoire de forme (SMPC) peuvent être considéré comme des matériaux actifs, car ils combinent les propriétés mécaniques et fonctionnelles typiques des composites avec des propriétés de mémoire de forme. En particulier, les préformes fibreuses tridimensionnelles (3D) ont un potentiel énorme pour le développement de ces composites car elles permettent de combiner leurs capacités de conception 3D et le comportement de polymère à mémoire de forme de la matrice. Dans ce cadre, ce travail vise à étudier le comportement de la mémoire de forme et les propriétés de récupération de forme d'un type spécifique de composite SMPC multicouche tissé 3D (SMPC 3D) soumis à stimuli thermiques, externe puis interne. Une série de tests est effectuée sur neuf renforts 3D pour évaluer leurs propriétés mécaniques et physiques puis le renfort qui présente les meilleures performances mécaniques est ensuite utilisée pour fabriquer les échantillons composites SMPC 3D. Des essais comprenant des tests de flexion trois points et de cisaillement inter laminaire sont ensuite réalisés pour étudier leur réponse mécanique pour différentes températures.Ensuite par des essais spécifiques, la mémoire de forme et la capacité de récupération de forme de ces composite sont étudiées. Un scanner 3D basé sur la projection de franges est utilisé pour acquérir précisément les données géométriques et effectuer une analyse de déformation afin d'évaluer quantitativement la fixité de la forme et les comportements de récupération du composite à mémoire de forme. Enfin, une étude complète portant sur les deux étapes caractéristiques pour un composite à mémoire de forme, la fixation de la forme (fixity) et le retour à la forme initiale (recovery) est présentée. Elle repose sur le développement d’un essais mécanique particulier basé sur un essai de flexion trois point et met en œuvre des composites autonomes, c’est-à-dire comportant une activation thermique interne qui peut être piloté par effet Joule. Les résultats de cette étude sont très prometteurs pour des applications de structures déployables, car ils montrent que ces structures SMPC 3D peuvent retrouver leur forme initiale avec succès et sans apparition de dommages notables même pour des niveaux de compaction important imposé sur la structure lors de la phase initiale de fixation de la forme.

Shape memory polymer (SMP) composites are attractive and excellent smart materials due to their outstanding properties and rich functionality as they combine typical mechanical and functional properties of composites with shape memory properties. In particular, 3D reinforced preforms have tremendous potential for the development of functional composites by using the capabilities of 3D woven fabric preform design, and polymer shape memory behavior. Within that scope, this work aims to investigate the shape memory behavior and shape recovery properties of a specific type of 3D multilayer woven SMP composite in response to external stimuli. For this purpose, nine different multilayer stitched fabrics are produced with different weave structures, and different fabric thread densities using polyimide filaments. Then, a series of tests is carried out on these fabrics to evaluate their mechanical and physical properties. The layered fabric design that delivers high mechanical performance is next involved to manufacture the SMP composite samples. A series of experiments including three-point bending and interlaminar shear tests are then performed on these SMP composites to investigate their mechanical responses at different temperatures. Furthermore, the shape memory and shape recovery capability of developed 3D reinforced composite structure are investigated. Fold-deploy and other shape memory cycle tests are performed to evaluate the shape memory characteristics. An optical 3D scanner based on fringe projection is next proposed to precisely acquire the geometry data and perform deformation analysis to quantitatively evaluate the shape fixity and shape recovery behaviors. Finally, sensitive shape fixity and recovery behavior of active shape memory polymer composite is recorded by sophisticated 3 point bending sensor. The results from this study are very promising, demonstrating that these multilayer SMP structures can successfully be recovered following the desired design constraints without noticeable damage.