Matériaux composites

Les matériaux composites sont formés de renforts et d’une matrice. Les prochaines lignes présentent les matériaux retenus pour les renforts et la matrice ainsi que le type de structure de renfort et l’empilement sélectionné.

2.3.1.1 Nature du renfort

À travers la revue de la littérature, deux matériaux ressortent du lot pour leur potentiel à répondre aux besoins de ce projet, soit la fibre de verre et la fibre de carbone.

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Mis à part son coût élevé (Baïlon et Dorlot, 2000, p. 656), la fibre de carbone possède plusieurs avantages par rapport à la fibre de verre. La fibre de verre a le désavantage de se dégrader sous l’eau lorsqu’elle est soumise à une contrainte prolongée (Kostikov, 1995, p. 122; Greene, 1990, p. 44; Shenoi et Wellicome, 1993). La fibre de carbone, elle, n’est pas sujette à ce type de dégradation (Greene, 1990, p. 44; Shenoi et Wellicome, 1993). Ce type de dégradation est donc très problématique sachant que ces conditions défavorables sont réunies dans la situation présente. Néanmoins, cette dégradation varie grandement en fonction du type de fibre de verre (Shenoi et Wellicome, 1993).

La fibre de carbone possède une forte rigidité (Baïlon et Dorlot, 2000, p. 655), ce qui permettrait de minimiser la déformation du bord de fuite. Toutefois, la fibre de carbone présente le désavantage d’être sujette à la corrosion galvanique lorsqu’elle est en contact avec les métaux (Chung, 1994, p. 115).

La fibre de carbone a donc été sélectionnée malgré son coût plus élevé et le risque de corrosion galvanique. Sachant que la proportion de matériaux composites dans la roue est très faible, les économies engendrées par l’utilisation de la fibre de verre plutôt que de la fibre de carbone seraient marginales par rapport aux coûts totaux d’une turbine.

Le risque de corrosion galvanique sera minimisé par le contrôle de l’épaisseur d’adhésif. Les fabricants des adhésifs sélectionnés proposent une fourchette d’épaisseur de couche d’adhésif permettant de maximiser la résistance du joint. Cette épaisseur permet également de séparer physiquement les surfaces du matériau composite et de l’acier et ainsi d’éviter ce type de corrosion. Cependant, advenant le cas où de la corrosion galvanique était observée, il a été proposé par GE d’insérer une couche supplémentaire faite de fibre de verre à l’interface de l’acier afin de créer une barrière physique entre les matériaux.

2.3.1.2 Types de structures de renfort

Deux structures de renfort ont été sélectionnées. Premièrement, de la fibre de carbone unidirectionnelle sera utilisée pour constituer la grande majorité de la coque en composite. Cette structure a quelques avantages. La forte anisotropie d’une couche de fibre unidirectionnelle permet d’ajuster localement la rigidité de la pièce en fonction de l’orientation des couches. Le comportement mécanique orthotrope de chaque couche permet de facilement caractériser le comportement mécanique du matériau et également de simplifier l’analyse numérique du matériau composite. La fibre sélectionnée est donc une fibre de carbone à faible module d’élasticité. Un rouleau de cette fibre était disponible à l’ÉTS.

Il a été choisi d’utiliser des voiles de surface de fibre de carbone sur les côtés extérieurs de la coque. Ces voiles de surface ont été choisis afin de diminuer l’empreinte de surface des renforts tissés qui se trouvent dessous. Le voile sélectionné est un voile de surface de fibre de carbone.

Les renforts de fibre de carbone préimprégnés ont été rejetés pour deux raisons. D’abord, leur mise en forme requiert l’utilisation d’un four ou d’un autoclave. Sachant que la pièce conçue ici possède une taille de plus de deux mètres, l’équipement requis pour chauffer une telle pièce aurait été difficilement accessible. En deuxième lieu, l’utilisation de fibre sèche permet de sélectionner une résine qui répond exactement aux besoins du concept. Les renforts préimprégnés eux ne possèdent pas une telle flexibilité.

2.3.1.3 Matrices

L’époxy possède d’excellentes propriétés pour la situation étudiée ici. D’abord, possède de hautes performances mécaniques (Ratna, 2009, p. 83; Greene, 1990, p. 48). Ce matériau a aussi une haute résistance à l’eau (Jang, 1994, p. 20; Seymour, 1990, p. 63; Baïlon et Dorlot, 2000, p. 384. Verdu (1984, p. 357) précise que les résines époxy utilisant un durcisseur de type anhydride sont sujettes à l’hydrolyse, mais que ce problème n’est pas présent pour ceux

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utilisant un durcisseur de type amine. L’époxy possède également une excellente adhésion aux renforts (Jang, 1994, p. 20; Ratna, 2009, p. 101). L’époxy sera donc utilisé pour former la matrice du matériau composite.

Quatre résines époxy à deux composants seront testées en tant que matrice. Le Tableau 2.1 présente ces quatre polymères et certaines de leurs propriétés tirées de leur fiche technique.

Tableau 2.1 Identification et propriétés des matrices sélectionnées

Identification Viscosité de la résine mélangée [mPa•s] Résistance en traction [MPa] A 900 à 1100 59 B 600 à 800 48 C 175 54 D 370 52

Le durcisseur de ces quatre époxy est de type amine, ces époxys ne devraient donc pas être sujets à l’hydrolyse par l’eau. Ce sont également des époxys qui réticulent à température ambiante. Ceci est important puisqu’il était souhaitable d’éviter à avoir à mettre la pièce en matériau composite au four en raison de sa taille imposante. L’époxy A possède une viscosité élevée, mais est fait spécialement pour une utilisation dans des applications marines. L’époxy B correspond à la matrice utilisée pour la mise en forme des coques des extensions d’aube avant-directrice par GE. Les époxys C et D sont des époxys à faible viscosité.

2.3.1.4 Empilement

Lors de la conception de l’aube, il ne s’est pas avéré nécessaire de mettre le caractère anisotrope des couches de fibre unidirectionnelle à profit. Un empilement quasi isotrope a été choisi pour éviter d’obtenir une coque possédant des zones plus faibles. Il s’agissait d’un empilement de six couches. Deux voiles de surface ont été ajoutés à la surface extérieure de la coque. L’empilement était donc constitué de huit couches pour chacun des deux côtés de la coque et se décrit comme [V2/(0/60/-60)s] où V correspond à un voile.

2.3.1.5 Méthode de mise en forme

Il existe plusieurs techniques qui peuvent être utilisées pour mettre en forme des matériaux composites, comme le moulage au contact, l’injection sous vide et l’infusion. Toutes ces méthodes possèdent des avantages et des inconvénients. La méthode d’infusion a été retenue pour effectuer la mise en forme des pièces en matériau composite de ce projet. La méthode par injection sous vide (RTM) a été rejetée même si elle constitue une méthode de mise en forme très performante (Hoebergen et Holmberg, 2001, p. 502) et que Davies et Rajapakse (2014, p. 175) recommandent cette méthode pour la mise en forme de matériaux composite pour une application dans un environnement marin. C’est que cette méthode requiert l’utilisation d’équipements dispendieux et un volume de production élevé est nécessaire pour justifier l’utilisation de cette méthode de mise en forme (Hoebergen et Holmberg, 2001, p. 503). La méthode par moulage au contact aurait également pu être utilisée puisqu’elle est très simple et requiert de l’équipement à très faible coût (Hoebergen et Holmberg, 2001, p. 503). Par contre, les performances mécaniques des pièces obtenues à l’aide de cette méthode sont faibles (Hoebergen et Holmberg, 2001, p. 502). D’ailleurs, les résultats sont dépendants de la compétence de l’opérateur (Andresen, 2001, p. 450). C’est pourquoi cette méthode a également été rejetée. Pour ce qui est de la méthode d’infusion, elle permet d’atteindre des performances mécaniques très semblables à la méthode par injection sous vide (Hoebergen et Holmberg, 2001, p. 502). Cette méthode de mise en forme permet d’obtenir des pièces possédant un taux de fibre élevé et une plus grande reproductibilité entre les pièces grâce au contrôle de la pression de vide (Hoebergen et Holmberg, 2001, p. 503). Cette méthode est peu dispendieuse et est appropriée pour la mise en forme de pièces de grande taille avec un faible volume de production (Hoebergen et Holmberg, 2001, p. 503).