Essais de perméabilité

La méthode de l’écoulement radial a été utilisée pour déterminer la perméabilité planaire dans les directions “X” (longitudinale, sens des fils UD) et “Y” (direction transverse). L’imprégnation est faite à partir d’une injection centrale à pression d’injection constante [123, 141, 172, 173]. À partir de la loi de Darcy, il est possible de calculer la perméabilité K du renfort connaissant la viscosité du fluide et sa vitesse d’écoulement [115, 118, 119, 141, 174-176]. La forme tensorielle de la loi de Darcy peut être décrite par l’équation 3.1:

Où ū est la vitesse moyenne de Darcy, c’est-à-dire la vitesse du front d’écoulement observée à l’échelle macroscopique, µ est la viscosité du fluide, P est le gradient de pression et K est le tenseur de perméabilité du milieu poreux. Dans le cas particulier d’un renfort orthotrope,

le front d’écoulement est elliptique et le tenseur de perméabilité se réduit à l’équation 3.2 où

KX et KY représentent la perméabilité dans les directions X et Y [119];

Les composantes KX et KY peuvent être obtenues en utilisant l’équation 3.3 [113, 141,

172, 173];

Avec RX,e est le rayon équivalent du front d’écoulement, ∆P est la chute de pression, t

est la durée de l’écoulement, Ke est la perméabilité effective, RX0,e le rayon équivalent

d’injection à l’entrée et Ø est la porosité du renfort (égale à 1-Vf). Une fois que Ke est

déterminée, les perméabilités KX et KY peuvent être calculées à partir des équations

KX = Ke / m1 et KY = Ke x m1 avec m1 correspondant à la pente de la droite du graphe de RY versus RX. RX et RY étant les positions (voir Figure 3.10) mesurées du front d’écoulement

le long des axes X et Y respectivement [113].

Figure 3.10: Mesure de rayons au front d'écoulement. 3.2.6.2 Montage expérimental de mesure de la perméabilité

Le montage de perméabilité (Figure 3.11) comprend une plaque de 420 mm x 260 mm rigide en acier d’une épaisseur de 25 mm servant de base, une plaque de 370 mm x 220 mm

𝐾 = (𝐾₀𝑋 _𝐾0 𝑌) 𝐹 = 𝑅𝑋,𝑒 𝑅𝑋0,𝑒[2 𝑙𝑛 𝑅𝑋,𝑒 𝑅𝑋0,𝑒− 1] = 4𝐾𝑒∆𝑃𝑡 𝜙µ𝑅_𝑋0,𝑒2 (3.2) (3.3)

en verre trempée de 20 mm d’épais par-dessus laquelle est déposée et une seconde plaque d’acier de 25 mm d’épaisseur munie de trois ouvertures parmi lesquelles la plus grande (165 mm x 125 mm) est située en son milieu. Cette ouverture permet de visualiser et d’enregistrer, au moyen d’une caméra vidéo, l’évolution du front d’écoulement pendant l’imprégnation tandis que la plaque d’acier superposée permet de prévenir toute déflection de la plaque de verre durant l’essai. Huit cales d’épaisseur précises permettent de contrôler l’épaisseur de la cavité du moule. Un joint d’étanchéité placé entre la plaque de base et la plaque de verre permet d’étanchéiser le moule. L’épaisseur du joint d’étanchéité est légèrement plus grande que celle des cales d’épaisseur contrôlant l’épaisseur de la cavité du moule; ce qui permet au joint d’élargir quand les vis de fermeture du moule sont serrées. Cet élargissement permet de prévenir un écoulement préférentiel du fluide en bordure du renfort [141]. Le fluide utilisé pour les essais de perméabilité est présenté à la section 3.1.4. Tous les essais ont été effectués sous un vide de 13,26 psi (0,0914 MPa) en utilisant une pompe à vide (modèle Humm-VacTM 12CFM de la compagnie Easy composites Ltd, Stoke-on-Trent, UK). Le montage expérimental complet est bien décrit dans des travaux précédents [123, 141].

Les échantillons pour les tests de perméabilité sont faits de six couches de renforts UD/mat de dimension (140 mm x 140 mm) et sont préparés suivant des conditions qui seront définies dans le chapitre 4; les perméabilités KX et KY pour chacune de ces conditions seront

mesurées trois fois. Chaque échantillon a été percé en son centre d’un trou circulaire de diamètre 12 mm. L’épaisseur requise de la cavité a été calculée avec l’équation 3.4 pour obtenir un taux volumique de fibre (Vf) d’environ 45 % pour chaque essai (Vf constant).

Dans cette équation, n correspond au nombre de couches de renfort dans l’empilement,

mr (g.m-2) à la densité surfacique de chaque couche de renfort, ρf àla densité des fibres (1,45

g.cm-3) et h à l’épaisseur de la cavité. En raison des niveaux de compaction (0,5 MPa), d’humidité et de température adoptés dans cette étude, l’épaisseur du renfort après compaction de certaines préformes est telle que le plus faible taux volumique de fibres atteignable est proche de 45 %. Mouler à une épaisseur correspondant à un Vf plus faible

entraînerait la présence d’un espace vide au-dessus de l’empilement de renforts. Cet espace viendrait invalider l’essai de perméabilité et rendrait impossible le moulage des plaques composites nécessaires pour les essais mécaniques. À l’inverse, un très fort taux volumique nécessiterait un niveau de compaction plus élevé dans la préforme; avec pour conséquence probable la dégradation des fibres de lin [108]. Par conséquent, un Vf de 45 % a été adopté

pour les essais de perméabilité et de moulage des plaques. L’évolution du front d’écoulement a été capturée à l’aide de la caméra vidéo. Les vidéos ont par la suite été converties en images du front d’écoulement extraites à intervalle constant de 1 seconde. Les images ont par la suite été binarisées grâce à un logiciel de traitement d’images. Grâce à un programme de traitement d’image développé sous MatlabTM_{, les meilleures ellipses épousant les contours du front}

d’écoulement à chaque intervalle de temps ont pu être déterminées. Ces ellipses ont été utilisées pour calculer les rayons RX et RY et la perméabilité équivalente (Ke) en utilisant

l’Équation 3.3. Finalement, KX et KY sont calculés à partir de Ke [113]. Pour chaque essai, les

fils UD de lin étaient toujours orientées à 0° par rapport à la longueur du moule (direction X). (3.4) 𝑉𝑓= 𝑛 × 𝑚_𝑟 ℎ × 𝜌𝑓

3.2.7 Fabrication des plaques composites et essais mécaniques