Etude et modélisation des écoulements dans la mise en oeuvre des composites

[F.Berthet, A.Cantarel, T.Cutard, G.Dusserre, Q.Govignon, F.Schmidt]

Les écoulements sont au cœur de la fabrication des matériaux composites, quelques soient les matrices, renforts et procédés. Que ce soit un écoulement de polymères chargés de fibres courtes dans un procédé d’injection, l’écoulement de l’air et de la résine au moment de la cuisson de préimprégnés ou de la thermocompression de composites à matrice thermoplastique, ou bien les écoulements lors de l’injection de résine, chargée ou non, dans une préforme fibreuse sèche ; ces écoulements vont jouer un rôle prépondérant sur les propriétés finales du matériau composite.

Dans le cadre des procédés de fabrication « voie liquide », les travaux portent sur la modélisation des écoulements aux multiples échelles du matériau et la caractérisation des paramètres matériaux liés à la perméabilité et la compressibilité des renforts fibreux. La mise en forme et les défauts induits ainsi que la variabilité intrinsèque des renforts et leurs effets sur la perméabilité sont parmi les problématiques traitées d’un point de vue expérimental et numérique. Les interactions entre le moule et le renfort et l’effet de l’écoulement sur les préformes (interactions fluide structures) sont aussi envisagées. Les renforts fibreux sont étudiés dans diverses configurations comme les préformes tissées, tricotées ou mat, et étudiées à diverses échelles. Les matrices organiques/inorganiques thermodurcissables et thermoplastiques peuvent aussi présenter des variations rhéologiques durant la phase d’écoulement en raison de leur cinétique de polymérisation et de la température. La modélisation de comportements non Newtoniens (principalement fluides rhéofluidifiants, à seuil ou thixotropes) fait partie de la thématique, en particulier dans le cas de suspensions utilisées comme précurseur de matrice inorganique.

L’étude de la consolidation des semi-produits composites (pré-imprégnés thermodurcissable ou thermoplastiques, tissus co-mêlés, film stacking…) se penche sur l’effet de la morphologie de ces semi-produits ainsi que des cycles de température et pression sur l’évacuation des porosités, l’écoulement de la matrice et la compaction des renforts.

Dans le cas de l’injection de thermoplastiques renforcés de fibres courtes, l’écoulement est directement responsable de la répartition et de l’orientation des fibres de renforts. Les travaux menés ont porté sur la relation entre la thermique des moules et l’écoulement ainsi que sur la prédiction de la répartition des fibres de renforts et leur impact sur les variations locales des propriétés mécaniques des pièces réalisées.

Ces écoulements vont également influencer les échanges thermiques lors du procédé de mise en forme ou engendrer des phénomènes de ségrégation ou de filtrage dont il faudra tenir compte lors de la simulation du procédé.

Montée capillaire d'une résine organique dans un tapis de nanotubes destiné au renforcement de la tenue à l'impact de composites

Quelques problématiques récemment étudiées...

Travaux de thèse de Florian Boutenel (en cours)

La formulation de suspensions constitue la première étape concernant l’élaboration de composites à matrice céramique par des procédés voie liquide. Cette étape essentielle consiste à disperser de la poudre céramique dans une solution aqueuse contenant divers additifs organiques. Pour assurer, par la suite, une imprégnation correcte du renfort fibreux par la suspension, celle-ci doit être bien dispersée, stable et avoir une faible viscosité (< 1 Pa.s).

Cette étude, réalisée en collaboration avec Anne Aimable et Thierry Chartier de l’Institut de Recherche sur les Céramiques (IRCER) de Limoges, s’intéresse au cas particulier de la formulation d’une suspension bi-composant constituée d’alumine submicronique et de silice colloïdale. La démarche mise en place vise aussi bien à étudier les composants primaires mis en suspension que le mélange à proprement parler.

La quantité optimale de dispersant nécessaire à la formulation de la suspension d’alumine a tout d’abord été déterminée. Les mesures de potentiel zêta ont permis de s’assurer que les suspensions étaient bien dispersées et qu’aucun phénomène d’agglomération de particules (aussi bien d’homoagglomération que d’hétéroagglomération) n’était mis en jeu. À l’aide d’essais de sédimentation, il a été montré que les suspensions étaient stables sur un intervalle de temps représentatif des procédés par voie liquide. Une étude rhéologique complète a ensuite été menée. Le comportement des suspensions, composé d’un domaine rhéofluidifiant puis d’un plateau où la viscosité est constante, est gouverné par les interactions hydrodynamiques et colloïdales et par les mouvements browniens, chaque phénomène physique ayant son propre domaine de prédominance. Le comportement rhéologique des suspensions a été modélisé par un modèle de Bingham auquel est associé un modèle de Quemada afin de prendre en compte l’influence de la concentration volumique en particules sur la viscosité. Ainsi, une compréhension fine du comportement rhéologique a pu être acquise. Enfin, des mesures d’angle de contact ont montré qu’il est possible d’améliorer significativement le mouillage des suspensions en utilisant un tensioactif.

Comportement rhéologique d'une suspension bi-composant alumine/silice, gouverné par les interactions hydrodynamiques et colloïdales et par les mouvements browniens, modélisé par un modèle de Bingham auquel est associé un modèle de Quemada afin de prendre en compte l’influence de la concentration volumique en particules sur la viscosité.