Economie circulaire pour les composites à fibres de carbone : du déchet aéronautique vers les composites carbone+ thermoplastiques recyclés

Circular Economy for Carbon Fiber Composites : From Aerospace Waste to Recycled Carbon + Thermoplastic Composites

• Auteur / Autrice : Yang Shi
• Direction : Éric Lacoste
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 21/04/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l’ingénieur (Talence, Gironde)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de mécanique et d'ingénierie de Bordeaux
• Jury : Président / Présidente : Cyrille Sollogoub
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Éric Lacoste, Cyrille Sollogoub, Pierre Ouagne, Didier Perrin, Florentin Berthet, Olivier Mantaux, Arnaud Gillet
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre Ouagne, Didier Perrin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Thermoplastiques

Recyclage

Aspect environnemental

Composites à fibres de carbone

Mots clés libres

Composites fibres de carbone recyclées

Matrices thermoplastiques

Interfaces fibre recyclée discontinue

Matrice

Impact environnemental

Recycled carbon fiber

Thermoplastic matrix composites

Staple recycled fiber/matrix interfaces

Environmental impact

Résumé

Depuis leur industrialisation, la production de composites en fibres de carbone augmente de façon continue. Lors du recyclage des composites à fibres de carbone, seules les fibres seront recyclées. La « suppression » de la matrice est réalisée par pyrolyse, solvolyse ou vapo-thermolyse, procédés qui n’entraînent que peu de dégradation des fibres. Afin de susciter une demande pour les fibres de carbone recyclées, il faut donner de la valeur ajoutée aux fibres recyclées en démontrant la faisabilité de fabriquer des pièces composites (fibre recyclée+matrice) de haute qualité.Les architectures de fibres recyclées semi longues avec un très bon alignement ont été produites par la technologie de réalignement brevetée du laboratoire qui permet d’assurer une exploitation optimale des propriétés des fibres de carbone recyclées. Dans le but de maîtriser et d’optimiser les propriétés du nouveau composite (à fibres discontinues), les mécanismes de transfert de charge entre fibres ont été étudiés, et les propriétés utiles de la matrice ont été identifiées. Une attention particulière a été portée au calcul de la longueur de transfert de charge entre deux fibres discontinues en fonction des propriétés de l'interface fibre recyclée / matrice thermoplastique. En effet, notre objectif est non seulement de rechercher des solutions optimales en termes de résistance mais aussi des solutions qui permettent de limiter l’impact environnemental, d’où notre choix des matrices thermoplastiques (y compris recyclées) pour cette étude.Tous les résultats des simulations numériques ont été validés par comparaison avec des résultats expérimentaux. De plus des composites fibres de carbone recyclées/matrice thermoplastique (PA6 et PC) ont été mis en œuvre et testés. Ces matériaux présentent des taux de fibres supérieurs à 50% et offrent de meilleures propriétés mécaniques que les mêmes matériaux avec matrice epoxy.Une analyse environnementale a été propsée sur l’exemple d’une pale d’éolienne portative en comparant les impacts de la matière première, de la fabrication et de la fin de vie d’une pièce réalisée avec différents matériaux (alliage léger, composite fibres de verre, composites à fibres recyclées). Cela démontre l’intérêt des fibres de carbone recyclées associées à une matrice thermoplastique recyclée, pour minimiser l’impact environnemental tout en maximisant les performances mécaniques.

Since their industrialization, the production of carbon fiber composites is continuously increasing. When recycling carbon fiber composites, only the fibers are recycled. The matrix is "removed" by pyrolysis, solvolysis or vapour-thermolysis, processes that cause little degradation of the fibres. In order to create a demand for recycled carbon fibers, it is necessary to add value to recycled fibers by demonstrating the feasibility of manufacturing high quality composite parts (recycled fiber + matrix).Semi-long recycled fiber architectures with very good alignment were produced by the laboratory's patented realignment technology that ensures optimal exploitation of recycled carbon fiber properties. In order to control and optimize the properties of the new composite (staple fiber), the mechanisms of load transfer between fibers were studied, and the useful properties of the matrix were identified. Particular attention has been paid to the calculation of the load transfer length between two staple fibers as a function of the properties of the recycled fiber/thermoplastic matrix interface. Indeed, our objective is not only to find optimal solutions in terms of strength but also solutions that allow to limit the environmental impact, hence our choice of thermoplastic matrices (including recycled) for this study.All the results of the numerical simulations were validated by comparison with experimental results. In addition, recycled carbon fiber/thermoplastic matrix composites (PA6 and PC) were implemented and tested. These materials have fiber contents higher than 50% and offer better mechanical properties than the same materials with epoxy matrix.An environmental analysis was performed on the example of a portable wind turbine blade by comparing the impacts of the raw material, manufacturing and end of life of a part made with different materials (light alloy, glass fiber composite, recycled fiber composites). This demonstrates the interest of recycled carbon fibers associated with a recycled thermoplastic matrix, to minimize the environmental impact while maximizing mechanical performance.