Identification de deux principaux phénomènes de consolidation

A.2) Etude de l’évolution du gradient thermique... 84 A.3) Etude comparative de l’évolution du gradient thermique et de l’épaisseur ... 86 A.4) Conclusion ... 87 B) Influence des paramètres procédé sur les phénomènes thermiques ... 87

B.1) Influence de la vitesse de chauffe ... 87 B.2) Influence de la pression de tirage à vide... 88 B.3) Influence de l’empilement ... 90 B.4) Conclusion ... 91 C) Influence des paramètres matériaux sur les phénomènes thermiques ... 92

C.1) Influence de la rugosité de surface ... 92 C.2) Influence du degré initial de cristallinité ... 92 C.3) Conclusion ... 94 D) Modèle EF 1D : Approche thermique de la mise en contact des plis ... 94

D.1) Présentation du modèle... 94 D.2) Résultats et discussions ... 97 D.3) Prise en compte de l’exothermie de la cristallisation froide ... 99 E) Conclusion ... 102 Bibliographie ... 104

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A) Identification de deux principaux phénomènes de consolidation

D’après la littérature, il existe quatre principaux phénomènes de consolidation responsables de la bonne consolidation d’un stratifié thermoplastique (cf. Chapitre 1). Il s’agit de la mise en contact des plis (aussi appelé contact intime), du phénomène d’autohésion (ou de cicatrisation), de l’écoulement du composite et de la cristallisation de la matrice. Dans les études antérieures, l’influence de ces phénomènes a été principalement évaluée a posteriori, sur les stratifiés élaborés, par essais mécaniques ou par contrôles non destructifs. Dans cette thèse, nous proposons de suivre ces phénomènes lors de la consolidation grâce à un suivi de différence thermique et à un suivi de l’épaisseur. En couplant ces deux approches, il est alors possible d’obtenir les variations du gradient thermique.

A.1) Conditions d’essais

Dans cette partie, nous nous intéressons aux données obtenues grâce au système de consolidation développé sur plateau chauffant. Comme présenté au chapitre précédent, le système sur plateau chauffant est instrumenté à l’aide d’une paire de caméras optiques et de thermocouples. Ces équipements permettent d’avoir un suivi de l’épaisseur du stratifié, et du gradient thermique à travers l’épaisseur au cours du cycle d’élaboration. Pour rappel, la majeure partie des essais sont réalisés sur des empilements 16 plis unidirectionnels de dimensions 60x60 mm2_{. Dans le cas du pré-imprégné A, l’épaisseur finale de la pièce est d’environ}

2,30 mm, et dans le cas du pré-imprégné B elle atteint 2,40 mm. Par ailleurs, on choisit comme cycle de référence le cycle présenté en Figure 3-1. La rupture de pente lors de la phase de refroidissement est due à l’absence de système de refroidissement pour ce type d’élaboration.

Figure 3-1 : Cycle d'élaboration de référence sur plateau chauffant

A.2) Etude de l’évolution du gradient thermique

Les suivis d’élaborations réalisés sur plateau chauffant instrumenté permettent notamment d’obtenir le gradient thermique au cours du cycle de consolidation. Les résultats obtenus pour les deux matériaux consolidés suivant le cycle de référence sont présentés en Figure 3-2. Il est intéressant de noter que les résultats sont reproductibles d’un essai à l’autre pour un même

Approche thermique des phénomènes de consolidation

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matériau mais qu’ils sont également identiques pour les deux pré-imprégnés comme le souligne la Figure 3-2. Deux phénomènes thermiques apparaissent lors du cycle d’élaboration. À la température de transition vitreuse, on observe une diminution importante du gradient thermique de presque 15°C/mm. De même à la température de fusion, le gradient thermique chute mais de manière moins importante (environ 3°C/mm).

a) Matériau A b) Matériau B

Figure 3-2 : Evolution du gradient thermique lors de la consolidation sur plateau chauffant

Afin de s’assurer que ces phénomènes thermiques observés peuvent bien être associés à des phénomènes de consolidation, on soumet un stratifié à deux cycles successifs identiques. L’évolution de la différence de températures entre les plis inférieur et supérieur de ce stratifié au cours des deux cycles d’élaboration est présentée en Figure 3-3. On constate ainsi que lors du second cycle, il n’y a pas de chute brutale de la différence de températures ni à Tg, ni à Tm. On peut donc considérer que les deux accidents observés lors du 1er _{cycle sont bien associés à}

des phénomènes de consolidation.

Figure 3-3 : Evolution de la différence thermique transverse du matériau A lors de deux cycles de consolidation successifs

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A.3) Etude comparative de l’évolution du gradient thermique et de l’épaisseur

L’étude des phénomènes thermiques permet de souligner l’existence de deux phénomènes de consolidation. Afin d’identifier au mieux ces phénomènes, on compare l’évolution du gradient thermique à celle de l’épaisseur tout au long du cycle. Cette information est obtenue grâce à la stéréocorrélation réalisée tout au long de la consolidation. Les résultats obtenus dans le cas du matériau A sont présentés en Figure 3-4.

Figure 3-4 : Résultat d'un essai de suivi de consolidation sur plateau chauffant (matériau A)

Tout d’abord on observe une concordance entre les phénomènes thermiques et l’évolution de l’épaisseur. Des changements nets de pente sont observés aux mêmes moments, donc aux mêmes températures (Tg et Tm) à la fois pour le gradient thermique et pour l’épaisseur. En revanche, on constate qu’à Tg, l’épaisseur augmente tandis que le gradient thermique diminue. A contrario, à Tm, le gradient thermique et l’épaisseur diminuent tous deux.

Comme l’épaisseur du stratifié ne diminue pas à Tg, on peut en déduire que la diminution du gradient thermique traduit une amélioration de la conductivité thermique transverse de l’empilement. Or la conductivité thermique transverse du composite n’évolue pas de manière nette à cette température (cf. Figure 3-5). La diminution du gradient thermique observée à Tg traduit donc une amélioration des résistances thermiques de contact aux interplis. Cette forte réduction du gradient témoigne donc du phénomène de mise en contact des plis.

À Tm, une réduction de l’épaisseur est observée, et on peut supposer, d’après la Figure 3-5, que la conductivité thermique ne diminue pas à cette température. On peut donc supposer que la chute du gradient thermique observé lors de l’élaboration traduit l’écoulement de l’ensemble fibres/matrices et donc un perfectionnement du contact interpli.

Approche thermique des phénomènes de consolidation

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Figure 3-5 : Evolution de la conductivité thermique transverse des deux pré-imprégnés en fonction de la température

A.4) Conclusion

Le système de suivi de consolidation in-situ développé permet de mettre en avant la présence de phénomènes thermiques traduisant des phénomènes de consolidation du stratifié. Ainsi deux principaux événements peuvent être identifiés. Le premier a lieu à Tg et correspond à la mise en contact des plis adjacents. Le second apparaît à Tm, il traduit l’écoulement de l’ensemble fibres/matrice et donc le perfectionnement de la mise en contact des plis. Par ailleurs, l’étude comparative réalisée sur les deux matériaux souligne la présence des mêmes phénomènes quelque soit la nature du pré-imprégné.