Impact du vieillissement humide sur le comportement d'un composite à matrice organique tissé fabriqué par injection RTM : Mise en évidence d'un couplage entre absorption d'eau et thermo-oxydation de la matrice

Effect of water absorption on the properties of organic matrix/woven fabric composite manufactured by RTM process : Evidence of coupling between water absorption and thermo-oxidation of the matrix

• Auteur / Autrice : Aline Simar
• Direction : Jean-Claude Grandidier, Marco Gigliotti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 04/12/2014
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Aircelle - Gonfreville-L'Orcher
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Giuseppe Mensitieri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Frédéric Jacquemin, Isabelle Ammar-Khojda, Peter Davies, Patrick Henrat
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Xavier Colin, Frédéric Jacquemin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Oxydation

Microstructure (physique)

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Durée de vie (ingénierie)

Matériaux -- Détérioration

Composites polymères

Mots clés libres

Carbone/époxy tissé 2D

Vieillissement humide

2D woven carbon/epoxy

Water ageing

Résumé

Ce travail prend naissance dans un vaste programme européen d’allègement des structures aéronautiques, mis en application par un projet de recherche (PRC-Composites) et donnant suite à des développements de procédés et matériaux nouveaux. Cette thèse s’inscrit donc dans ce projet global et vise à mettre en évidence, analyser, comprendre puis modéliser les mécanismes d’absorption d’eau dans un composite à matrice organique (carbone/époxy) tissé 2D mis en oeuvre par RTM et à évaluer l’influence de l’humidité sur son comportement mécanique.Une méthodologique consistant à étudier l’effet du vieillissement sur les composants du matériau : résine pure, interface/interphase résine/toron, composite a été développée.Pour la résine pure (RTM6), un couplage complexe entre absorption d’eau et thermo-oxydation de la matrice à 70°C a été démontré, découplé, puis quantifié expérimentalement en s’appuyant sur un modèle numérique diffuso-mécanique couplé. Une étude basée sur l’emploi d’éprouvettes modèles « mono-toron », conçues à cet effet, a montré que – à l’échelle microscopique – la présence d’interfaces/interphases résine/toron n’a pas d’impact significatif sur la cinétique de diffusion dans la matrice. Le comportement du composite (RTM6/AS7) en milieu humide/oxydant a été exploré en s’appuyant sur les notions établies sur les composants. La diffusion d’eau a été modélisée à travers une représentation explicite de la microstructure et en incluant le modèle établi sur la résine pure. Le comportement du composite vieilli a été évalué via des essais de traction uni-axiale dans les 3 directions du plan (0°, 90° et 45°). Ces essais montrent l’intérêt d’une pré-étude sur les constituants.

The initiative of this work is based on weight saving European program of aeronautic structures. It takes part of PRC-Composites project and aim to develop processes and new materials. This thesis belong with this whole project and wants to highlight, to analyze, to understand, then to modelize water absorption phenomena in an organic composite (carbon/epoxy) 2D woven, manufactured by RTM process. The final objective is to evaluate the effect of moisture on the mechanical behavior.The method consists in studying the effect of water ageing on components: neat resin, interface/interphase resin/tow, and composite.For the neat resin (RTM6), a complicated coupling between water sorption and thermo-oxidation of the matrix at 70°C has been demonstrated, uncoupled and then experimentally quantified using a coupled diffuso-mechanical model. A study based on the use of “mono-tow” samples, specially manufactured for this work, has shown – on the microscopic scale – the presence of interface/interphase resin/tow has no significant effect on the diffusion kinetic through the matrix. In moist/oxidant environment, the composite behavior (RTM6/AS7) has been explored relaying on established ideas related to components. Water diffusion has been modelized through an explicit representation of the microstructure and by including neat resin established model. The aged composite behavior has been evaluated with uni-axial tensile tests in 3 directions (0°, 90° and 45°). These experiments show the interest of the component pre-study.