Développement de matériaux composites de seconde génération utilisant des fibres de carbone recyclées pour une application nautique

Development of new generation high-performance 2.0 composites based on recycled carbon fibres for nautical applications

• Auteur / Autrice : Adrien Gonzalez
• Direction : Patrick Ienny, Didier Perrin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique et Génie Civil
• Date : Soutenance le 22/11/2022
• Etablissement(s) : IMT Mines Alès
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Information, Structures, Systèmes (Montpellier ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Mécanique et Génie Civil. LMGC (Montpellier) - Laboratoire de Mécanique et Génie Civil / LMGC
• Jury : Président / Présidente : Damien Soulat
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Patrick Ienny, Didier Perrin, Laetitia Vouyovitch, Éric Lacoste, Florentin Berthet, Romain Léger
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Laetitia Vouyovitch, Éric Lacoste

Mots clés

Mots clés libres

Fibres de carbone

Résine thermodurcissable

Recyclage

Fibres discontinues

Carbon fibres

Thermoset resin

Recycling

Discontinuous fibres

Résumé

Cette étude s’inscrit dans le cadre du projet NESSIE dont le but est de développer un matériau composite utilisant des fibres de carbone recyclées et une résine thermodurcissable pour une application nautique. Chaque année, plusieurs dizaines de milliers de tonnes de matériaux composites en fin de vie renforcés avec des fibres de carbone sont produits par les industries aéronautique, automobile, ou encore productrice d’énergie. La récupération de fibres de carbone, dont l’objectif est la conservation de l’ensemble de leurs propriétés initiales, est en théorie possible grâce à des traitements thermiques ou chimiques. Il s’avère en réalité, que les procédés utilisés actuellement à des échelles prototypes conduisent à des dégradations non négligeables des fibres telles que des pertes de résistance mécanique ou bien une modification des propriétés de surface menant à une baisse de l’adhésion avec la matrice. Une des problématiques principales rencontrée actuellement dans le recyclage est le désalignement des fibres au cours des procédés. L’alignement est nécessaire à la réutilisation des fibres de carbone recyclées afin de prodiguer un renforcement mécanique contrôlé et suffisant pour une application de structure. Si tant est que le réalignement des fibres recyclées soit possible à une échelle industrielle dans les prochaines années, un ruban constitué de fibres de carbone vierges discontinues alignées représente le renfort « théorique » le plus proche de ce qui pourrait être obtenu post recyclage et réalignement. Dans la suite de l’étude, l’influence de l’état de surface des fibres après traitement thermique, de l’alignement et de la longueur médiane des fibres de carbone constituant un ruban « théorique » ont été étudiées. Les résultats ont permis d’avancer des recommandations sur la qualité des fibres de carbone recyclées admissibles après recyclage thermique ou chimique en vue de l’élaboration d’un fil de fibres de carbone recyclées. Ces recommandations concernent un maintien de l’alignement des fibres et une adhésion optimale fibres/matrice.

This study is part of the NESSIE project, which aims to develop a composite material using recycled carbon fibres and a thermosetting resin for a nautical application. Every year, tens of thousands of tonnes of end-of-life carbon fibre-reinforced composite materials are produced by the aeronautics, automotive and energy industries. The recovery of carbon fibres, whose objective is to preserve all their initial properties, is theoretically possible thanks to thermal or chemical treatments. The processes currently used at prototype scale led to significant degradation of the fibres, such as loss of mechanical strength or modification of surface properties leading to a reduction in adhesion with the matrix. One of the main problems currently encountered in recycling is the loss of alignment of fibres during the process. Alignment is necessary for the reuse of recycled carbon fibres to provide controlled and sufficient mechanical reinforcement for a structural application. If realignment of recycled fibres is possible on an industrial scale in the next few years, a sliver of aligned virgin discontinuous carbon fibres represents the closest "theoretical" reinforcement that could be obtained after recycling and realignment. In the remainder of the study, the influence of the surface condition of the fibres after heat treatment, the alignment and the median length of the carbon fibres constituting a "theoretical" sliver were studied. The results allowed recommendations to be made on the quality of recycled carbon fibres eligible after thermal or chemical recycling for the development of a recycled carbon fibre yarn. These recommendations include maintaining fibre alignment and optimal fibre/matrix adhesion.