Conclusions

La première partie de ce travail de recherche a été consacré à l’étude de l’effet de la taille des particules et de la fraction massique d'ATH sur les propriétés physiques et mécaniques d'une résine époxy, destinée à être utilisée comme coulée pour l’extension de l’avant-directrice. Cette étude a été effectuée pour déterminer l’influence des charges sur le comportement de la résine époxy et ses propriétés, afin de pouvoir choisir la taille des particules et le taux d’ATH les mieux adaptés à cette application industrielle. Le pic exothermique, le temps de polymérisation, la viscosité du mélange et les propriétés mécaniques de la coulée sont fortement influencés par la taille des particules et la fraction massique des charges d’ATH ajoutés à la résine époxy. En effet, nous avons remarqué que la polymérisation est retardée et que la température maximale est réduite pendant le durcissement. Ces effets deviennent progressivement de plus en plus importants avec l’augmentation de la fraction massique d’ATH. Par ailleurs, la diminution de la taille des particules augmente leurs surfaces spécifiques, ce qui favorise le transfert de chaleur entre le polymère et les particules de charge, causant la réduction de la température interne du composite, et ainsi un ralentissement de la vitesse de polymérisation. De plus, on a pu démontrer que la viscosité du mélange, qui présente un paramètre très important pour éviter le piégeage de gaz pendant le mélange et la préparation de la coulée, augmente considérablement avec l’ajout d’ATH. Nous avons aussi remarqué que pour les faibles fractions massiques (inferieures à 20 %) l’effet de la taille des particules sur la viscosité est presque négligeable. Par contre, au-delà de 20 % d’ATH, l’effet de la taille devient de plus en plus évident avec l’augmentation de la fraction massique de charge. Ceci permet de conclure que pour la même fraction massique, plus les particules de charge sont petites, plus le mélange est visqueux. La comparaison entre les résultats de cette étude et les exigences de l’application industrielle, en prenant en considération les conditions d’installation de l’extension à l’avant- directrice existante, a permis de conclure que la formulation de la coulée la plus adéquate pour

notre application est celle composée de résine époxy chargée de 60 % d’ATH et ayant une taille 8 μm.

Après avoir décidé de la formulation de la coulée, une structure sandwich à double âme a été fabriquée et testée à l’impact dans le but de caractériser les propriétés de la structure sandwich proposée pour l’avant-directrice. Ce panneau sandwich est constitué de deux peaux en époxy renforcé de fibres de verre NCF et d’une âme double, composée de deux couches d'époxy chargé de 60 % de trihydrate d'alumine (ATH / époxy) séparées au centre par une mousse de polystyrène extrudé (XPS). Pour les énergies d'impact de 8 à 24J, le panneau sandwich étudié absorbe environ 50 % de l'énergie d'impact et le principal mécanisme d'absorption d'énergie est la compression de la mousse XPE.

Un modèle numérique 3D a été développé pour simuler les essais d'impact, déterminer la distribution d'énergie dans les différents constituants du sandwich et prédire les dommages. Dans l'ensemble, le modèle numérique a réussi à reproduire à la fois les caractéristiques qualitatives et quantitatives de la réponse aux chocs du panneau sandwich à double âme étudié. En outre, les résultats numériques ont révélé qu'un panneau sandwich composé d'une âme rigide à haute densité (époxy chargé d’ATH) et d'une âme souple à faible densité (mousse XPS), subissait à la fois une déformation locale et une déformation globale sous une charge d'impact. Considérant les résultats obtenus, le sandwich à double âme étudié dans ce travail répond adéquatement aux exigences de l’application industrielle. Cependant, il reste à vérifier l'effet de l'absorption d'eau sur les propriétés de la coque ainsi que les caractéristiques d'impact de la structure proposée comme extension de l'avant-directrice d'une turbine hydroélectrique.

Afin de pouvoir choisir la meilleure formulation pour la coque, le vieillissement de six configurations différentes de stratifiés a été étudié. Ceci a permis de mieux comprendre l’influence des différents paramètres, tels que la température, la nature de la résine et l’utilisation d’un voile de surface, sur le processus de diffusion de l’humidité dans le composite. De plus, les effets de l’humidité sur les propriétés physiques et mécaniques des stratifiés ont été pris en compte. Les résultats obtenus ont démontré que l’absorption de l’humidité cause une diminution de la température de transition vitreuse et un gonflement de la matrice ainsi qu’une dégradation des propriétés mécanique. De plus, un modèle analytique a été utilisé pour simuler la diffusion d’eau dans le cas d’un échantillon soumis à l’humidité d’un seul côté. Ce modèle a permis de suivre en

continu au cours du temps de vieillissement, l’évolution de l’humidité en chaque point de l’échantillon. Le taux d’humidité en un point particulier et le temps nécessaire pour atteindre l’état de saturation sont des paramètres qui peuvent aussi être déterminés. Différentes conditions de diffusion peuvent également être traitées par ce modèle en modifiant les conditions de vieillissement qui peuvent être symétriques ou dissymétriques. En effet, il est possible d’imposer des conditions de vieillissement différentes sur les deux faces latérales de l’échantillon. À partir des résultats sur la cinétique d’absorption d’humidité et les essais effectués sur les différentes configurations étudiées, le stratifié en vinylester renforcé de fibres de verre NCF avec un voile de surface est la configuration la plus adaptée pour fabriquer la coque de l’extension de l’avant- directrice. En effet, cette configuration est caractérisée par un faible taux d’absorption d’humidité à la saturation et par des propriétés mécaniques et physiques qui sont les moins dégradées au cours du vieillissement comparé aux autres configurations étudiées.

Dans le but d’optimiser la formulation de l’âme, en tenant compte des conditions de fabrication et de l’installation de l’extension à l’avant-directrice existante, 30 phr du modificateur (diluant) a été ajouté à l’époxy chargé de 60% d’ATH, pour diminuer la viscosité de la coulée. Afin de vérifier l’effet de l’ajout du modificateur à la formulation de l’âme sur les propriétés à l’impact du sandwich, une étude comparative entre le comportement des deux structures sandwichs composites soumises aux chocs a été effectuée. Le premier sandwich est constitué de deux peaux en époxy renforcé par des fibres de verre et une âme en époxy chargé de 60% d’ATH, et le deuxième se distingue du premier par l’ajout à la formulation de l’âme de 30 phr de modificateur (diluant). En plus des structures sandwich plats qui représentent les côtés de l'extension de l'avant-directrice, des structures avec courbure de rayon 60 mm ont été testées à l’impact à différentes énergies. Ces structures représentent le bord d'attaque de l’extension de l’avant-directrice qui est la partie la plus susceptible à recevoir des impacts par des roches charriées par l’eau. La comparaison des résultats a révélé que la force de contact maximale des structures avec courbure est plus faible que celle des sandwichs plats. De plus, l’énergie absorbée et la taille du dommage des structures avec courbure sont légèrement plus faibles que celles des sandwichs plats.

Finalement, un autre paramètre très important dans cette application industrielle est l’effet de l’humidité sur les propriétés à l’impact des structures composites. Les résultats obtenus permettent de conclure que la force de contact maximale diminue avec l’augmentation du taux d’humidité dans le sandwich, tandis que la déflexion maximale augmente, car le comportement des

échantillons vieillis qui devient plus élastique. Dans l'ensemble, la profondeur de l’empreinte résiduelle et la taille des dommages restent relativement faibles, même pour une énergie d’impact atteignant 100 J.