Composites à fibres de carbone recyclées : variabilité des sources et optimisation des performances mécaniques

Recycled carbon fiber composites : variability of sources and optimization of mechanical performances

• Auteur / Autrice : Sabrine Jlassi
• Direction : Gérard Bernhart, Florentin Berthet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 06/03/2019
• Etablissement(s) : Ecole nationale des Mines d'Albi-Carmaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader-Albi (2009-....) - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Pierre Ouagne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Gérard Bernhart, Florentin Berthet, Christiane Wagner-Kocher, Damien Soulat, Olivier Mantaux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christiane Wagner-Kocher, Damien Soulat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Non-tissés

Recyclage

Composites à fibres de carbone

Composites thermoplastiques

Mots clés libres

Recyclage

Vapo-thermolyse

Fibre de carbone vierge/recyclée

Renfort textile

Non-tissé

Composite thermoplastique

Composite 2.0

Recycling

Steam-thermolysis

Virgin/Recycled carbon fiber

Textile reinforcement

Non-woven

Thermoplastic composite

2.0 Composite

Résumé

Le recyclage des matériaux composites renforcés de fibres de carbone suscite de plus en plus d’intérêt pour répondre aux exigences règlementaires et aux besoins industriels. Le défi majeur est de récupérer les fibres de carbone afin de les réintégrer dans des composites (2.0) de seconde génération. La particularité des fibres recyclées, provenant de diverses sources, réside dans la variabilité de leurs propriétés et d’un point de vue industriel et économique, le tri des composites par type/grade de fibres avant le recyclage semble onéreux. L’objectif de cette thèse est d’évaluer l’intérêt du traitement par vapo-thermolyse des composites usagés sans un tri préalable et de valider à une échelle représentative les conditions de remise en forme des fibres recyclées en renfort textile et de remise en œuvre des composites 2.0. L’étude s’est focalisée sur le développement et la caractérisation mécanique de nouveaux composites renforcés de non-tissés en fibres de carbone vierges. Les non-tissés ont été mis en forme par cardage en se basant sur un plan d’expériences type plan de mélanges prenant en compte trois grades de fibres de carbone coupées en trois longueurs différentes. Les résultats ont montré que le mélange de fibres de propriétés différentes et de longueurs permet de réduire la variabilité des propriétés des composites. Mais l’augmentation des proportions des fibres ayant de faibles propriétés mécaniques dans un mélange provoque une chute des performances. Ces résultats ont permis une meilleure compréhension de l’influence des propriétés des fibres et de l’architecture du renfort non-tissé sur les propriétés des composites. L’étude a été complétée par une comparaison des propriétés mécaniques de deux composites renforcés de non-tissés simples et comélés à base de fibres de carbone vierges et recyclées. Les résultats ont montré un excellent potentiel des renforts en fibres de carbone recyclées comparés aux renforts en fibres vierges et aux renforts en fibres recyclées actuellement commercialisés.

There is a great deal of interest with carbon fiber reinforced composite recycling in order to respond to regulatory requirements and industrial needs. The major challenge is to recover carbon fibers in order to reintegrate them into second-generation (2.0) composites. The particularity of recycled carbon fibers coming from different sources is the variability of their properties. From an industrial and economical point of view, composite sorting by fiber type/grade before recycling seems to be not profitable. This project aims to evaluate the interest of recycling composites by steam-thermolysis without preliminary sorting and to validate at a representative scale the implementation conditions of recycled fibers into textile reinforcements and 2.0 thermoplastic composites. The study focused on development and mechanical characterization of new virgin carbon fiber non-woven reinforced composites. A design of experiments was carried out by using a Mixture Design methodology considering three carbon fiber grades cut into three different lengths in order to produce non-woven reinforcement by carding. It has been shown that the mixture of fibers with different properties and lengths induces reducing variability of composite properties. But the increase in mixture proportion of fibers having low mechanical properties leads to a drop-in composite performance. This part allowed a better understanding of fiber properties and non-woven reinforcement architecture influence on composite properties. The study was completed by a comparison of mechanical properties of two simple and comingled recycled carbon fiber non-woven reinforced composites. The results showed an excellent potential of recycled carbon fiber non-woven reinforcement compared to virgin carbon fiber and commercialized recycled carbon fiber non-wovens.