Etude de la porosité dans les matériaux composites stratifiés aéronautiques, Voids in aeronautical composite laminates

Yohann Ledru

Description

Sous la direction de Gérard Bernhart, Robert Piquet
Thèse soutenue le 14 décembre 2009: INPT
La mise en œuvre des préimprégnés unidirectionnels à fibre de carbone et résine époxyde est une étape fondamentale pour la conception de pièces structurales aéronautiques. Elle influe directement sur la qualité de la pièce et notamment sur la quantité de défauts poreux qu’elle renferme. Ainsi, deux phénomènes de création de la porosité ont été identifiés expérimentalement : l’un mécanique, l’autre thermodynamique. Une fois créés, ces défauts peuvent être extraits hors de la pièce si le marouflage et le cycle de polymérisation favorisent cette évacuation gazeuse. Les effets sur la porosité de la température et de la pression imposées pendant la réticulation de la résine sont modélisés en prenant en compte les phénomènes thermo-diffuso-mécaniques entre la résine et la bulle de gaz. Un protocole expérimental reposant sur l’analyse d’image a été développé afin de quantifier le plus précisément possible le taux volumique de porosité, ainsi que leurs tailles et leurs localisations.
-Matériau composite
-Préimprégné
-Porosité
-Modélisation
-Analyse d’image
-Diffusion
Long fiber reinforced epoxy matrix composite laminate manufacturing process is divided into several stages. The most critical one is the polymerization stage. If not optimized, defects in the bulk material such as voids can occur. The aim of this work is to investigate the void formation and evolution processes in order to improve the thermoset laminates quality in minimizing the void ratio. Two phenomena causing void formation have been identified. The first is the mechanical entrapment of gas bubbles between prepreg plies during the lay up. Second is a thermodynamical one. Solvents and humidity absorbed by the prepreg during its manufacturing can be evaporated by increasing the temperature. Then, it has been shown that the vaccum bag lay up permeability in combination with the vaccum pressure could favour the gas washing out. In parallel, thermo-mechanical and diffusion models are coupled to obtain an accurate void size prediction along temperature and pressure applied during the polymerisation. In fact, these two parameters induce variations of the gas bubble radius inside resin. The first experimental results seem to validate qualitatively the calculated void size behaviour. Indeed, hydrostatic pressure imposed during polymerization plays a very important role on gas bubble shrinkage. Finally, a new experimental setup using image analyses has been developed to measure as accurate as possible the volume void ratio. Under specific conditions, stereology allows to extrapolate 2D results to 3D ones. Void ratios obtained with this method are in good agreement with acid digestion results. Complementary morphometric studies on void shapes have given new information about the heterogeneous void distribution in the specimen and also on the statistical void size distribution versus polymerization conditions.
-Composite materials
-Prepreg
-Void
-Modeling
-Image analyses
-Diffusion
Source: http://www.theses.fr/2009INPT048G/document

Sujets

• Matériau composite
• Préimprégné
• Porosité
• Modélisation
• Analyse d'image
• Prépreg

Informations

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Extrait

THÈSE


En vue de l'obtention du

DOCTORAT DE L’UNIVERSITÉ DE TOULOUSE

Délivré par Institut National Polytechnique de Toulouse
Discipline ou spécialité : Génie Mécanique, Mécanique et matériaux


Présentée et soutenue par Yohann LEDRU
Le 14 décembre 2009

Titre : ETUDE DE LA POROSITE DANS LES MATERIAUX COMPOSITES STRATIFIES
AERONAUTIQUES

JURY
Christophe Binetruy – Professeur des Universités – DTPCIM – Ecoles des Mines – Douai
Joël Bréard – Professeur des Universités - LOMC - Le Havre
Alain Lamure – Professeur des Universités – CIRIMAT - ENSIACET – Toulouse
Jean-Michel Bergerat – Ingénieur R&D – Docteur – ESWCT – AIRBUS – Toulouse
Gérard Bernhart – Professeur des Ecoles des Mines – ICA CROMeP – Albi
Robert Piquet – Maître de Conférence – ICA DMSM - ISAE – Toulouse
INVITES
Laurent Michel – Professeur associé de l’ISAE – ICA DMSM – ISAE – Toulouse
Fabrice Schmidt – Professeur des Ecoles des Mines – ICA CROMeP - Albi

Ecole doctorale : MEGeP
Unité de recherche : ICA CROMeP – Ecole des Mines d’Albi
ICA DMSM - ISAE
Directeurs de Thèse : Gérard Bernhart / Robert Piquet
Rapporteurs : Christophe Binetruy / Joël Bréard







Remerciements


Ce travail de thèse appliqué à un problème industriel concret s’est déroulé dans le cadre d’un
contrat CFR, financé par AIRBUS France. A ce titre, je tiens à remercier Pierre-Henri
Cadaux, Jean-Michel Bergerat, Loraine Vinot et Julien Charles qui ont été à l’initiative de ce
travail, et qui l’ont suivi avec intérêt tout au long de ces trois ans. Je vous remercie pour votre
enthousiasme vis à vis de mes travaux et pour vos nombreuses interventions auprès de vos
partenaires d’AIRBUS France (Toulouse, Nantes), d’AIRBUS Deutschland (Stade),
d’AIRBUS UK (Bristol), de NDT Expert (Toulouse) et du fournisseur de préimprégné qui ont
abouti aux différentes rencontres mise en place au sein de ces nombreux cites. Je remercie ce
même fournisseur pour les nombreuses informations et discussions échangées durant ces trois
années ainsi que pour les échantillons de matériaux fournis.

Je remercie également Mr Alain Lamure, qui me fait l’honneur de participer à ce jury en tant
que Président de jury. J’exprime ma grande gratitude à Mr Christophe Binetruy et Mr Joël
Bréard pour avoir accepté d’effectuer le travail de rapporteur, et pour s’être intéressé au
travail de cette thèse. Leurs remarques constructives ont ainsi permis d’améliorer la qualité de
ce manuscrit.

Je souhaite également remercier Mr Gérard Berhnart, et Mr Robert Piquet, qui furent mes
directeurs et codirecteurs de thèse, pour m’avoir soutenu et fait preuve d’une grande
confiance en me laissant une grande autonomie tout au long de ce projet. Je souhaite aussi
adresser toute ma gratitude à Mr Laurent Michel et Mr Fabrice Schmidt qui ont activement
participé et suivi ces travaux de recherche. Je vous remercie tout les quatre, pour votre grande
culture scientifique, source d’enrichissement à travers toutes les discussions que nous avons
partagées, mais aussi pour vos conseils et votre disponibilité, dont vous avez toujours su faire
preuve.

Cette thèse est le résultat de 3 années de travail réalisées en cotutelle entre le Centre de
Recherche Outillage Matériaux et Procédé, à l’école des Mines d’Albi et le département
Mécanique des Structures et Matériaux de l’Institut Supérieur de l’Aéronautique et de
l’espace, à Toulouse. Je tenais donc à renouveler mes remerciements à Mr Gérard Bernhart et
Mr Jacques Huet, directeurs respectifs de ces deux laboratoires pour m’avoir accueilli au sein
de leur structure pendant ces trois années. J’en profite également pour exprimer toute ma
reconnaissance aux personnes qui m’ont aidé de près ou de loin à la réalisation de mes
nombreuses expériences mécaniques et physico-chimiques, en particulier Mr Pierre Erize, Mr
Daniel Boitel et Mr Michel Labarrer à l’ISAE, ainsi que Mr Karim Choquet et Mme Sabine
Leroux à Albi. Je n’oublierai pas non plus toute l’équipe de l’atelier mécanique de l’ISAE
pour leur travail remarquable concernant l’usinage de la petite autoclave.

Je souhaite remercier aussi Mme Esther Ramirez, Mme Catherine Maffre, Mme Rita Franco
et Mme Marie-Odile Monsu pour leurs aides précieuses qui ont facilité toutes mes démarches
administratives, organisé mes déplacements etc….

Je remercie les nombreux étudiants stagiaires qui ont passé quelques mois à travailler à mes
côtés. Un grand merci donc à : Pauline, Thomas et Pierre, à Florence, Guillem, Alfonso,
Valentin et Philippe, à Matthieu et François, Aurélie et Amandine, à Kaoutar, Xabier,
Guillaume, Vola, Laurent et Frédéric ainsi qu’à Li, stagiaire chinoise et au deux étudiants
indiens Priya Anita et Vishaknath. Merci à vous tous pour les échanges interculturelles en
langues française et anglaise, mais aussi pour votre sérieux et pour l’intérêt que vous avez
bien voulu accordé aux différents travaux proposés.

J’associe à ces remerciements toutes les personnes qui m’ont permis de traverser ces trois
années de la meilleure façon : les balles9 et amis de la promo ENIACET 2006, mes amis de
Marseille, les handballeurs de l’INPT et de Ramonville, sans oublier les doctorants, post
doctorants et enseignant chercheurs de l’ISAE et du CROMeP : Ambrosius, Walid et
Christophe, ainsi que Nicolas et Olivier qui m’ont toujours accueilli lors de mes déplacements
prolongés dans le Tarn. Je n’oublierai pas non plus Aurélien pour les nombreuses heures
passées ensemble à philosopher sur la route entre Toulouse et Albi, et pardon à ceux que
j’oublie. Grâce à vous, ces trois années resteront un excellent souvenir.

Finalement, toutes mes pensées vont à mes parents, mon frère et ma sœur, mais aussi à celle
qui deviendra ma femme, Lorraine, pour m’avoir soutenu (et soutenu encore) et encouragé
tout au long de ces trois années (et bien avant aussi…).


























Table des matières
Table des matières

INTRODUCTION...................................................................................................................... 1

CHAPITRE I.............................................................................................................................. 5
BIBLIOGRAPHIE ..................................................................................................................... 5

I.1 Présentation des matériaux composites...................................................................... 5
I.1.1 Les renforts............................................................................................................. 6
I.1.2 Les matrices............................................................................................................8
I.2 Les procédés de mise en œuvre des CMO thermodurcissables.............................. 10
I.3 Définition d’une porosité ........................................................................................... 12
I.4 Liens entre taux volumique de porosité et propriétés mécaniques d’un stratifié 13
I.5 Etude des causes possibles d’apparition de la porosité........................................... 16
I.5.1 Les causes mécaniques.........................................................................................16
I.5.2 Les thermodynamiques.............................................................................19
I.6 Evolution de la taille de la porosité........................................................................... 22
I.6.1 Condition de stabilité ........................................................................................... 22
I.6.2 Comportement de la bulle de gaz en fonction de la pression du liquide.............. 23
I.6.2.1 Cas général...................................................................................................23
I.6.2.2 Effets de la pression sur la porosité lors de la mise en œuvre du composite24
I.6.3 Com fonction de la température imposée au
système 26
I.6.3.1 Cas général26
I.6.3.2 Effets de la température sur la porosité lors de la mise en œuvre du
composite 26
I.6.4 Optimisations théorique et expérimentale d