Ingénierie de surface de matériaux composites pour l’aéronautique : chimie et topographie de surface, une aide au démoulage ?

par Patrice Glaris

Thèse de doctorat en Chimie et physico-chimie des polymères

Soutenue le 18-06-2013

à Le Mans , dans le cadre de École doctorale Matériaux, Matières, Molécules en Pays de la Loire (3MPL) (Le Mans) , en partenariat avec Institut des Molécules et Matériaux du Mans (Le Mans) (laboratoire) et de IMMM (laboratoire) .


  • Résumé

    Actuellement, les moules utilisés pour la réalisation de pièces composites aéronautiques sont à base d'alliages métalliques (FeNi, Invar) très appréciés pour leur faible coefficient de dilatation. Toutefois, ces alliages présentent plusieurs inconvénients (poids, prix, délais de livraison) qui incitent les industriels à se toumer vers d'autres matériaux. Dans ce contexte, les matériaux composites époxy/fibres de carbone sont une altemative intéressante compte tenu de leurs propriétés mécaniques proches del'Invar tout en alliant légèreté et facilité de mis en æuvre. Cependant, avec de tels moules des phénomènes d'adhésion risquent d'intervenir entre la résine époxyde infusée, constituant la future pièce, et le moule lui-même composé d'une résine époxyde. Leur nature proche est susceptible de favoriser des phénomènes de diffusion ou d'interactions moléculaires impliqués dans l'adhésion des polymères.Les travaux présentés dans cette thèse ont donc pour but de minimiser l'ensemble des phénomènes favorisant I'adhésion entre deux résines époxydes (l'une étant réticulée au contact de la seconde). Pour cela, les travaux sont concentrés sur la modification pérenne de la physicochimie ainsi que de la topographie de surface de la résine époxyde composant le moule. Ces deux paramètres sont en effet identifiés comme indispensables pour l'obtention de surfaces au caractère faiblement mouillant, pré-requis pour une bonne adhésion avec un tiers corps. Dans un premier temps, la physicochimie de surface de la résine du moule a étémodifiée durablement grâce à un additif fluoré préalablement greffé à la résine époxyde. Le mécanisme de fluoration de la surface a été étudié et une étape cruciale de migration de l'additif fluoré vers I'interface air / résine au cours de réticulation a été identifiée. Dans un deuxième temps, une rugosité contrôlée à l'échelle micrométrique est appliquée à la surface de la résine ainsi modifiée. Les propriétés de surface qui en découlent sont étudiées et montrent une accentuation du caractère faiblement mouillant des résines fluorées. Enfin, les propriétés d'interfaces entre les résines époxydes modifiées constituant le moule et une résine époxyde vierge représentant une pièce injectée sont étudiées via un test mécanique. Les résultats obtenus (force et type de rupture) sont mis en relation avec les propriétés superficielles de la résine époxyde modifiée.

  • Titre traduit

    Surface engineering of composite materials for aircraft


  • Résumé

    Currently , the molds used for making aircraft composite piecess are made of metal alloys ( FeNi Invar ) popular for their low coefficient of expansion. However, these alloys have several drawbacks ( weight, price , delivery time ) which encourage manufacturers to rotate to other materials. In this context, the epoxy composites / carbon fibers are an interesting altemative given their mechanical properties similar to Invar while combining lightness and ease of implementation . However , with such molds, phenomena of adhesion may occur between the infused epoxy resin constituting the future piece , and the mold itself made of an epoxy resin. Their close nature promotes diffusion phenomena or molecular interactions involved in the adhesion of polymers.The works presented in this thesis is therefore to minimize all phenomena promoting the adhesion between two epoxy resins (one being cured in contact with the second). To do this, the work is focused on sustainable change in the physicochemistry and the surface topography of the epoxy resin component mold. These two parameters are indeed identified as essential for obtaining surfaces prerequisited low wetting character , for good adhesion with a third body. At first , the physicochemistry of the resin surface of the mold was permanently changed using a fluorinated additive grafted beforehand on the epoxy resin. The mechanism of fluorination of the surface has been studied and a critical step in migration of the fluorinated additive towards the air / resin interface during curing has been identified. In a second step , a controlled micrometer scale roughness is applied to the surface of the resin as amended . The surface properties arising are studied and show an accentuation of low wetting character of fluorinated resins . Finally, the properties of interfaces between the modified epoxy resins constituting the mold and blank epoxy resin representing a molded part are studied via a mechanical test. The results obtained ( strength and type of failure ) are put in contact with the surface of the modified epoxy resin properties.


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