Compréhension des mécanismes d’adhésion dans un composite à matrice thermoplastique lors de sa mise en œuvre par consolidation en continu

par Hélène Lebrun

Thèse de doctorat en Matériaux polymères et composites

Sous la direction de Jannick Duchet-Rumeau et de Jean-François Gérard.

Soutenue le 09-12-2014

à Lyon, INSA , dans le cadre de Ecole Doctorale Matériaux de Lyon (Villeurbanne) .

Le président du jury était Jean-Charles Majesté.

Le jury était composé de Jannick Duchet-Rumeau, Jean-François Gérard, Jean-Charles Majesté, Francisco Chinesta, John-Christopher Plummer, Pierre Beauchêne, Brigitte Defoort.

Les rapporteurs étaient Francisco Chinesta, John-Christopher Plummer.

mots clés

• Matériaux
• Composite fibre de carbone
• Matrice thermoplastique
• Soudage
• Autohésion
• Cinétique
• Dégradation
• Rugosité
• Rhéologie
• Adhérence
• Consolidation
• Polymères
• Propriétés mécaniques
• Matériaux -- Détérioration
• Matériaux -- Propriétés mécaniques
• Polymères
• Adhésion (physique)

Résumé

Les technologies de placement de plis ou d’enroulement filamentaire de composite à matrice thermoplastique avec consolidation en continu ont fait l’objet de nombreux travaux ces dernières années. Ces études ont porté principalement sur des composites à base de matrice thermoplastique semi-cristalline comme le poly(éther éther cétone) (PEEK) renforcée de fibres de carbone. L’objectif de la thèse est de déterminer les lois de comportement du composite fibres de carbone/matrice thermoplastique lors de la mise en œuvre afin de déduire quelle étape gouverne le processus de soudage et quels sont les paramètres procédés et matériaux influençant sa durée. Dans ce but, les principales propriétés de la matrice utiles à l’étude ont, dans un premier temps, été déterminées. Une attention particulière a été portée sur la dégradation thermique. Les analyses en thermogravimétrie ont ainsi permis d’évaluer sa cinétique de dégradation. Dans un deuxième temps, les mécanismes de contact intime et d’autohésion, responsables du soudage, ont été étudiés à partir de modèles. Pour cela, les mesures de rugosité de surface et de viscosité ont été intégrées au modèle de contact intime. Le temps de diffusion de la matrice a été déterminé par rhéologie puis intégré au modèle d’autohésion. Enfin, l’influence des paramètres procédé (temps, température et pression) et matériau (masses molaires et rugosité) sur les mécanismes de formation de l’interface et ses performances mécaniques a été évaluée expérimentalement par des tests d’adhérence (clivage et pelage) et comparée aux modèles.

mots clés

• Materials
• Carbon fiber
• Thermoplastic matrix
• Welding
• Self-Adhésion
• Kinetics
• Degradation
• Roughness
• Rheology
• Adhesion
• Consolidation
• Polymer
• Mechanical properties

Titre traduit

Understanding the adhesion mechanisms in a thermoplastic-based composite during the continuous consolidation process

Résumé

The automated tow placement or filament winding processes of thermoplastic-based composites have been intensively studied in recent years. These studies concerned mainly composites with thermoplastic semi-crystalline matrices as carbon fiber reinforced poly(ether ether ketone) (PEEK). The thesis objective is to understand the physical mechanisms taking place in a thermoplastic-based composite during the welding in order to deduce which step governs the welding process and what are the parameters influencing its duration. First, the main properties of matrix of interest for this study were determined, in particular its thermal degradation. The thermal gravimetric analysis thus allowed to evaluate the kinetics of degradation. Secondly, the mechanisms of intimate contact and self-adhesion responsible for welding were studied using models. For this, surface roughness and viscosity measurements were included in the model of intimate contact. The diffusion time of matrix was determined by rheology and integrated into the self-adhesion model. Eventually, the influence of process (time, temperature and pressure) and material (molecular weight and roughness) parameters on the mechanisms of interface formation and its mechanical performance was evaluated experimentally by adhesion tests (wedge test and peeling ) and compared with models.