Développement, caractérisation et modélisation d'un nanocomposite haute température de type élastomère chargé pour application aéronautique

Development, characterization and modeling of a high temperature filled elastomer nanocomposite for aeronautical application

• Auteur / Autrice : Daphné Berthier
• Direction : Stéphane Méo, François Tran-Van
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique et productique
• Date : Soutenance le 28/11/2018
• Etablissement(s) : Tours
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Énergie, Matériaux, Sciences de la Terre et de l'Univers (Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Laboratoire de mécanique Gabriel Lamé (Orléans ; 2018-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : École polytechnique universitaire (Tours)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Fond
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fannie Alloin, Nicolas Berton, Marie-Pierre Deffarges
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Noëlle Billon, Odile Fichet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Relations de dispersion

Avions -- Matériaux

Aéronautique -- Recherche

Copolymères greffés

Polymères réticulés

Matériaux -- Effets des hautes températures

Matrices, Mécanique des

Nanoparticules

Fluoropolymères

Élastomères

Mots clés libres

Fluoroélastomères

FKM/POSS

FKM/CNT

Fluoroelastomer

FKM

Nanoparticles

CNT

POSS

Dispersion

Cross linking

Grafting

Thermomechanical properties

Résumé

Dans le cadre d'applications aéronautiques, les élastomères sont généralement sujets à de sévères sollicitations cycliques, mécaniques et thermiques. Ces travaux de thèse s’intègrent dans un projet de recherche globale d’amélioration des performances des élastomères. L’objectif est d’atteindre des durées de vie les plus longues possibles en termes de tenue thermomécanique. Ce besoin se justifie par le développement de moteurs toujours plus puissants et par conséquent susceptibles de générer des températures plus hautes afin de limiter le remplacement des pièces. Les fluoroélastomères sont des matrices largement utilisées pour des applications en température. Dans ces travaux, des nanoparticules sélectionnées pour leur impact connu sur les propriétés thermiques sont intégrées dans une matrice FKM. L’objectif est d’améliorer les tenues thermique et mécanique des nanocomposites ainsi obtenues. Deux types de nanocomposites ont été développés : FKM/POSS et FKM/CNT réticulés. L’état de fabrication a été optimisé sous forme de film mince. L’influence des paramètres de dispersion est un point crucial directement responsable de la qualité des états de surface ainsi que des propriétés thermomécaniques obtenues. Malgré des propriétés mécaniques améliorées, l’incorporation de CNT n’a pas eu l’effet escompté sur les propriétés thermiques des FKM/CNT réticulés. Les deux premières raisons sont vraisemblablement l’utilisation d’un taux de charges élevé et un moyen de mise en oeuvre non adapté. Les POSS sont plus prometteurs pour renforcer les fluoroélastomères. Notamment, les POSS-A, en raison d’un greffage sur le réseau FKM qui impacte les propriétés thermiques et mécaniques. A titre indicatif, l’amélioration de la tenue thermique se traduit par une amélioration de 5°C de la température de dégradation lorsque 5phr sont ajoutés dans le réseau FKM. De plus, le module de stockage E' est fortement amélioré, jusqu'à 4,0 MPa à 200°C à 20phr (+ 210% par rapport à la matrice FKM non chargée). L'énergie d'activation apparente en début de dégradation par TGA est plus forte dans le cas de ce composite. Cette donnée se corrèle avec les mesures de Tg estimées par DMA et montre que l’ajout des nanoparticules entrave les mouvements moléculaires propres à la matrice. Ces nanoparticules possèdent un pouvoir inhibiteur sur la dégradation du composite. Des essais de vieillissement thermique ont également montré que les FKM/POSS-A réticulés présentent des caractéristiques mécaniques supérieures à la référence industrielle. Les variations de ces propriétés s’expliquent ainsi par des interactions différentes (chimiques par greffage des POSS sur la chaîne polymère et physique par la création d’un réseau de charges) entre les POSS et la matrice. Le nanocomposite incorporant le POSS-A à 5phr dans le réseau FKM semble le plus adapté pour des applications hautes températures.

In aeronautics application, elastomers are generally subject to severe cyclic, mechanical and thermal stress. This thesis is part of a global research project to improve the performance of elastomers. The aim is to achieve the longest possible life in terms of thermomechanical behavior. This need is justified by the development of ever more powerful engines and therefore with a prospective to generate higher temperatures. New materials are essential to limit the replacement of parts in these conditions of use. Fluoroelastomers are matrices widely used in the context of high temperature applications. In these works, nanoparticles selected for their known impact on thermal properties are integrated into a crosslinked FKM matrix. The aim is to improve the thermal and mechanical behavior of the resulting nanocomposites. Two types of nanocomposites have been developed: crosslinked FKM/POSS and FKM/CNT. Nanocomposites are realized in thin film format. Dispersion parameters influence is a crucial point directly responsible for the quality of surface conditions as well as the thermomechanical properties obtained. Despite improved mechanical properties, the incorporation of CNT did not have the expected effect on the thermal properties of crosslinked FKM/CNT. The first two reasons are probably the use of a high load rate and an unsuitable means of implementation. POSS are more hopeful for reinforcement of fluoroelastomers properties. In particular POSS-A, due to a grafting on the FKM backbone impact the thermal and mechanical properties. As an indication, the thermal resistance obtained presents in an improvement of 5°C of the degradation temperature when 5phr are added in the FKM matrix. In addition, the storage module E' is greatly improved, up to 4.0MPa at 200°C to 20phr (+210% compared to the unfilled FKM matrix). The apparent activation energy at the beginning of degradation by TGA is stronger in the case of this nanocomposite. This data correlates with the Tg measurements estimated by DMA and shows that the addition of the nanoparticles hinders the molecular motions proper to the matrix. These nanoparticles have an inhibiting power on the degradation of the nanocomposite. Thermal aging tests have also highlighted that crosslinked FKM/POSS-A have mechanical characteristics superior to the industrial reference. The variations of these properties are explained by different interactions (chemical grafting of POSS on the polymer and physical interactions by the creation of a charge network) between the POSS and the matrix. The incorporation of POSS-A into a crosslinked FKM matrix for 5phr seems to be the most suitable nanocomposite for high temperature applications.