Etude de la déformation de rugosité

Dans cette partie, nous cherchons à évaluer l’évolution du degré de contact intime au-dessus de la température de fusion, i.e. lorsque le matériau est considéré comme un fluide. On utilise les résultats des essais de « squeeze flow » pour décrire la mise en contact des plis. Pour la modélisation du contact intime par une approche mécanique, réalisée au Chapitre 4, la rugosité sélectionnée est de forme trapézoïdale. Cette géométrie est effectivement proche de la réalité. Cependant cette géométrie ne permet pas d’avoir une solution analytique pour l’écoulement. On simplifie donc la géométrie de la rugosité, en considérant une géométrie rectangulaire identique à celle proposée par Lee et Springer [12](cf. Figure 5-16).

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Figure 5-16 : Mise en parallèle de l'essai squeeze flow et du modèle de mise en contact des plis

D’après l’étude de rugosité menée au Chapitre 2, on définit les paramètres géométriques du modèle de mise en contact, selon la Figure 5-17. On suppose que la déformation de la rugosité peut être représentée de la même façon que la déformation de l’échantillon. On fait donc l’hypothèse d’une seule échelle. On considère que la viscosité des rugosités peut être décrite par une loi de Carreau dont les paramètres correspondent à ceux identifiés au paragraphe précédent. On se place dans les conditions de consolidations sur plateau chauffant. On suppose que la longueur hors-plan de l’aspérité est donc égale à la longueur du stratifié soit 60 mm. Par ailleurs, on considère qu’on applique une force équivalente à une pression de 1 bar.

a) Matériau A

b) Matériau B

Figure 5-17 : Identification des paramètres géométriques de rugosité

D’après l’étude thermique de la mise en contact des plis réalisée au Chapitre 3, le degré de contact intime après Tg est compris entre 0,7 et 0,9. En utilisant la méthode de modélisation de l’écoulement présentée précédemment, on estime l’évolution de la largeur de l’aspérité (W) au cours du temps. À partir de ces données, on obtient l’évolution du degré de contact intime en fonction du temps pour différentes températures suivant l’Equation 5-13. Ces résultats sont présentés, pour différents degrés de contact intime initial, en Figure 5-18. On constate que le temps pour obtenir un contact parfait dépend très fortement du degré initial de contact considéré. Par ailleurs, on remarque que le temps de mise en contact est toujours bien plus long à 360 °C qu’à 370 °C ou 380 °C. Mais dans tous les cas, un contact parfait est obtenu aux interplis pour des temps inférieurs à 2 min. En théorie, on peut donc considérer qu’un temps de

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palier de 15 min lors de l’élaboration est largement suffisant pour obtenir un stratifié correctement consolidé. On discutera plus largement de l’influence de ces temps caractéristiques au chapitre suivant. Cependant, il est tout de même important de noter que ces temps peuvent sous-estimer le temps réel de mise en contact en raison, notamment, des conditions expérimentales de l’essai. En effet, le matériau est maintenu une quinzaine de minutes à la température d’étude avant d’être soumis à l’essai de compression. Le suivi d’écoulement ne prend donc pas en compte les inhomogénéités de température qui peuvent être présentes au cours de l’élaboration. De même, les temps de fusion des cristaux préexistants ne sont pas intégrés dans ces estimations de temps caractéristiques.

𝐷_𝑖𝑐 = 𝑊(𝑡)

𝑊(𝑡) +𝐵(𝑡)₂ Equation 5-13

B(t) : distance entre deux aspérités (m)

a) Dic0 = 0,7 b) Dic0 = 0,8 c) Dic0 = 0,9

Figure 5-18 : Evolution du degré de contact intime au cours du temps pour le matériau A

La Figure 5-19 présente l’évolution de l’épaisseur des rugosités au cours du temps pour les différentes températures. Ce modèle prédit une diminution d’épaisseur d’environ 0,9 µm de l’aspérité à 360 °C en moins de 30 s. Cet ordre de grandeur est en accord avec les valeurs de suivi d’épaisseur réalisées au chapitre précédent et qui enregistre une déformation d’une quarantaine de microns sur l’ensemble du stratifié lors de l’écoulement.

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Conclusion

Dans un premier temps, ce chapitre souligne la difficulté à définir le comportement rhéologique d’un composite unidirectionnel. Tout d’abord d’un point de vue expérimental, peu de méthodes sont développées pour mesurer la viscosité. L’un des essais classiques est l’essai de type « squeeze flow », mais il ne permet d’étudier que la viscosité transverse du composite. L’interprétation des résultats obtenus par cette méthode est très difficile en raison des nombreuses hypothèses effectuées au cours de cet essai, notamment en termes d’interaction plateau – échantillon ou en termes de définition des temps caractéristiques. Les résultats de ces essais soulignent, en plus, un changement de comportement du composite lors de son écoulement. Cette modification peut s’expliquer par l’enchevêtrement des fibres qui constitue une valeur seuil de déformation. Par ailleurs, on observe une dépendance de la viscosité au taux de cisaillement, ce qui souligne l’impossibilité de décrire le comportement du composite par un fluide newtonien. On propose ainsi une description du comportement du composite par une loi de Carreau. L’identification des paramètres de cette loi est d’autant plus difficile en raison des conditions de basse pression imposées. Ce chapitre met donc en avant la forte influence de la contrainte de déformation, lors d’un essai de squeeze flow, sur les valeurs des paramètres de la loi de Carreau. L’étude du comportement rhéologique nous permet d’identifier le temps caractéristique d’écoulement de l’ensemble fibres/matrice. On montre ainsi que le temps d’obtention d’un contact parfait est très dépendant de la valeur initiale du contact intime. Dans tous les cas, en partant d’un degré de contact après Tg proche de celui estimé au Chapitre 3, l’obtention d’un contact parfait est possible pour des temps inférieurs à 2 min. La définition de cet ordre de grandeur nous permet, notamment, de proposer une réduction du temps de palier lors de la consolidation. De même, l’ensemble des travaux présentés jusqu’ici nous ont permis de mieux comprendre les phénomènes de consolidation interpli. On se propose donc d’utiliser ces résultats pour proposer des pistes d’amélioration de l’élaboration sous vide.

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Discussion et Perspectives

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CHAPITRE 6 : PISTES D’AMELIORATION DE L’ELABORATION EN

BASSE PRESSION

Les chapitres précédents de cette thèse étaient consacrés à l’étude des phénomènes de consolidation inter-pli : mise en contact des plis et écoulement de l’ensemble fibres/matrice. Cette amélioration de la compréhension des étapes physicochimiques de la consolidation d’un stratifié nous permet de proposer des pistes d’optimisation du procédé d’élaboration en basse pression. En effet, dans le milieu industriel, les consolidations sous vide sont encore peu utilisées et requièrent généralement des temps longs de consolidation (temps de palier supérieur ou égal à 45 min) et des conditions de températures élevées (entre 380 °C et 400 °C dans le cas du PEKK). Les améliorations proposées dans ce chapitre ont pour but de travailler à des conditions d’élaboration moins sévères et sur des temps réduits, tout en conservant une qualité de consolidation élevée des pièces composites. Ce critère de qualité est défini, ici, par différents paramètres : la résistance au cisaillement interlaminaire, la diffusivité thermique du matériau et le taux de porosités. Ce chapitre propose une modification de l’élaboration selon deux axes : dans un premier temps une optimisation des paramètres procédés et dans un second temps une optimisation des paramètres matériaux.

A) Influence des paramètres procédés ... 152