Influence des paramètres procédé sur les phénomènes thermiques

Dans la partie précédente, deux phénomènes thermiques ont pu être identifiés lors du cycle d’élaboration, témoignant des phénomènes de mise en contact et d’écoulement. Dans cette partie, nous nous proposons d’étudier l’influence des paramètres procédés sur ces événements thermiques.

B.1) Influence de la vitesse de chauffe

Le cycle de consolidation présenté en Figure 3-1 est modifié en imposant différentes vitesses de chauffe comprises entre 1°C/min et 20°C/min. Les élaborations réalisées à ces différentes vitesses de chauffe font également l’objet d’un suivi de gradient thermique dans le cas du matériau A. La Figure 3-6présente l’évolution du gradient thermique lors de la phase de chauffe en fonction de la température du pli inférieur pour différentes vitesses. On constate, tout d’abord, que les diminutions du gradient thermique apparaissent bien à Tg et à Tm quelque soit la vitesse. Par ailleurs, on observe que l’amplitude des phénomènes thermiques dépend de la vitesse de chauffe. Plus la vitesse est lente, plus le gradient thermique à travers l’épaisseur du stratifié est important.

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Figure 3-6: Evolution du gradient thermique au cours de la consolidation pour différentes vitesses de chauffe

Ce phénomène est d’autant plus visible sur la Figure 3-7, qui trace l’amplitude du gradient thermique à ces deux instants en fonction de la vitesse de chauffe. Cette observation n’est pas en accord avec les prévisions théoriques de l’allure du gradient thermique. En effet si on considère un stratifié homogène dont l’épaisseur est environ égale à 2,30 mm et de diffusivité thermique équivalente à celle du matériau A à 150 °C (cf. Chapitre 2), le temps thermique caractéristique correspond à une quinzaine de secondes. L’amplitude du gradient thermique devrait donc être identique pour toutes les vitesses de chauffe étudiées. Une étude de la différence expérimentale de températures, et non plus du gradient thermique, donne des résultats similaires : plus la vitesse de refroidissement est faible, plus la différence de températures est élevée.

Figure 3-7 : Amplitude du gradient thermique aux températures caractéristiques

B.2) Influence de la pression de tirage à vide

L’un des objectifs de la thèse est de comprendre les phénomènes de consolidation dans le cas de pressions réduites. Dans ce but, on consolide des stratifiés à différentes pressions de

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compaction, qui sont maintenues constantes lors de chaque cycle. On définit la pression de compaction suivant l’Equation 3-1 Ainsi plus la pression de compaction est élevée, plus la pression de tirage à vide est faible.

𝑃𝑐𝑜𝑚𝑝𝑎𝑐𝑡𝑖𝑜𝑛 = 𝑃𝑎𝑡𝑚 − 𝑃𝑣𝑖𝑑𝑒 Equation 3-1

Pcompaction : pression de compaction (mbar)

Pvide : pression de tirage à vide (mbar)

Patm : pression atmosphérique (= 1000 mbar)

L’évolution des gradients thermiques au cours du cycle d’élaboration, pour les différentes pressions de compaction évaluées ; est présentée en Figure 3-8. On constate que, plus la pression de compaction est importante, plus l’amplitude des phénomènes thermiques à Tg et Tm est grande. Ainsi, dans le cas d’une pression de compaction relativement faible (325 mbar), aucun phénomène thermique n’est observable. Cette différence d’évolution du gradient est directement liée à la conductivité thermique des interplis. La conductivité thermique d’une lame d’air en fonction, notamment, de la pression est décrite par Wu et al.[7] suivant l’Equation 3-2. Ainsi dans le cas d’une pression de compaction élevée, la pression au sein de la bâche à vide est de l’ordre de quelques millibars et donc la conductivité de l’air est proche de 1.10- 3 _{(W/(m.K)). Cette très faible conductivité, causée par le niveau de pression, accroit l’amplitude}

du gradient thermique à travers l’épaisseur du stratifié. Dans le cas d’une pression de compaction plus faible, les interplis comprennent de l’air et leur conductivité est donc proche de 2.5.10-2 _{W/(m.K) à 20°C. L’écart de conductivité avec le composite n’est alors plus}

suffisante pour souligner la mise en contact des plis à Tg.

Figure 3-8 : Influence de la pression de tirage à vide sur les phénomènes thermiques

𝑘_𝑎𝑖𝑟 = 𝑘0

1 +7.6. 10_𝑃𝐷−5. 𝑇 Equation 3-2

k0 = 0,0284 W/(m.K)

P : pression (Pa)

D : épaisseur de la lame d’air (m) T : température moyenne (K)

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Par ailleurs au palier en température, le gradient thermique est plus important dans le cas du stratifié consolidé à 325 mbar que dans le cas des deux autres consolidations. Ce phénomène est dû à une moins bonne consolidation interlaminaire de ce stratifié, la pression de compaction appliquée n’étant pas suffisante pour permettre une bonne adhésion interpli.

B.3) Influence de l’empilement

La majeure partie des stratifiés consolidés au cours de cette thèse sont des stratifiés unidirectionnels de 16 plis. Cependant, l’influence du type d’empilement sur les phénomènes de consolidation a également été étudiée. Ainsi ce paragraphe présente l’influence du nombre de plis et de leur orientation sur les phénomènes de consolidation

B.3.1) Influence du nombre de plis

Des stratifiés de différentes épaisseurs (16, 32 et 70 plis) ont été consolidés sur plateau chauffant à partir du pré-imprégné A. L’évolution des phénomènes thermiques est suivie selon les mêmes méthodes que précédemment. Les résultats de cette étude sont présentés en Figure 3-9. Les phénomènes thermiques ne sont pas modifiés pour le stratifié 32 plis par rapport aux stratifiés 16 plis. En revanche, on constate un décalage du phénomène thermique de la Tg vers 200 C dans le cas du stratifié 70 plis. En effet, les difficultés d’élaboration sur plateau chauffant sont d’autant plus importantes dans le cas de stratifiés épais, car la différence de températures entre les plis inférieur et supérieur est croissante avec l’épaisseur. Ainsi les phénomènes de consolidation ne se déroulent pas de manière simultanée en tout pli.

a) Gradient thermique en fonction de la température inférieure

b) Température du pli supérieur en fonction du temps

Figure 3-9: Influence du nombre de plis sur les phénomènes thermiques lors de la phase de chauffe

Par ailleurs, la température du pli supérieur n’atteint pas la température de fusion dans le cas des stratifiés épais (32 et 70 plis). La température maximale atteinte par le 70ème _{pli est}

effectivement d’environ 240°C (cf. Figure 3-9-b). Ainsi le phénomène d’écoulement n’a pas lieu au niveau des plis supérieurs, la consolidation n’est donc pas totale. En effet, les

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d’atteindre les températures caractéristiques en tout point du stratifié pour assurer la consolidation des pièces composites.

B.3.2) Influence de l’orientation des plis

On peut supposer que la mise en contact des plis est d’autant plus difficile dans le cas de composites multidirectionnels. Pour étudier l’influence de l’orientation des plis, on compare les phénomènes thermiques observés lors de la consolidation pour des stratifiés 16 plis unidirectionnels et croisés symétriques. Les résultats sont présentés en Figure 3-10. Dans le cas du stratifié croisé, le phénomène thermique lié à la mise en contact des plis est décalé vers des températures plus élevées. Les temps caractéristiques de mise en contact des plis sont donc plus longs dans le cas d’un stratifié croisé que dans le cas de stratifiés unidirectionnels. Par ailleurs, le phénomène à Tg est de moins grande amplitude que pour les stratifiés unidirectionnels. A contrario, il est plus important à Tm. On peut donc supposer que la mise en contact des plis mal établie à Tg est compensée par un écoulement plus important de l’ensemble fibres/matrice à Tm. Ainsi une orientation différente des plis adjacents retarde le phénomène de mise en contact des plis et réduit le degré de contact intime obtenu après la Tg. Una amélioration de la consolidation est alors rendue possible par le phénomène d’écoulement à la fusion.

Figure 3-10 : Influence de l'orientation des plis sur les phénomènes de consolidation

B.4) Conclusion

L’étude de l’influence des paramètres procédés sur les phénomènes thermiques, traduisant les étapes de la consolidation, a permis de mieux comprendre les événements de la consolidation interpli. Ainsi le phénomène thermique observable à Tg est notamment dû à la très faible conductivité thermique des interplis. Cette conductivité est d’autant plus faible que la qualité du vide est importante. Par ailleurs, l’étude des conditions d’empilement souligne le besoin de maîtriser parfaitement les conditions thermiques : la bonne consolidation repose effectivement sur le fait d’atteindre la température de fusion en tout point du stratifié. En effet le phénomène se déroulant à la fusion est l’étape essentielle de la consolidation puisqu’elle peut compenser un contact mal établi à la Tg entre deux plis adjacents.

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