Mise en œuvre par drapage et autoclave

I.4.1.2. Mise en œuvre par drapage et autoclave

Ce procédé a pour vocation la réalisation de composites à très hautes performances ; la fabrication des pièces peut être manuelle, semi‐automatique ou entièrement automatisée. Dans ce type de procédé, les pré‐imprégnés sont soit à base de matrices thermodurcissables ou thermoplastiques et les renforts peuvent être unidirectionnels (nappes), multiaxiaux, ou bien tissés.

Les pré‐imprégnés sont empilés les uns sur les autres avec un drapage soigneusement sélectionné afin de garantir les propriétés mécaniques désirées selon le cahier des charges de la pièce. L’utilisation d’autoclave permet de contrôler le cycle de réticulation (TD) ou de consolidation (TP) en contrôlant le vide, la pression et la montée en température.

Figure I. 12. Schéma de principe (échelle non respectée) d’un assemblage drapé type sous bâche à vide (Campbell 2004).

Une représentation schématique d’un assemblage drapé type destiné à la consolidation d’un stratifié à base thermoplastique en autoclave est montrée dans la Figure I. 12. La forme finale du composite est définie par le moule. La surface supérieure du stratifié est recouverte d’un système permettant un démoulage aisé. Des cales de bordure sont placées tout autour du stratifié dans le but d’éviter l’écoulement de la résine au moment de la chauffe. La répartition uniforme de la pression sur le stratifié est assurée par une plaque de pression. L'ensemble est placé dans une bâche à vide et la mise sous vide est effectuée par l’intermédiaire d’un port de sous vide qui peut être relié et déconnecté sans difficulté à une pompe à vide.

Un cycle de cuisson utilisé classiquement dans le cas des composites à base de PEEK renforcé en fibres de carbone (APC‐2) est donné dans la Figure I. 13. Contrairement aux composites à matrice thermodurcissable qui nécessitent des cycles de cuissons complexes, les composites à

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matrice thermoplastique ne nécessitent pas de temps de fabrication longs, ni de cycles thermiques à plusieurs paliers. La durée du cycle complet de consolidation est de l’ordre de 30 à 60 minutes avec un palier de température d’environ 380°C. Figure I. 13. Exemple de cycle de consolidation de composite à matrice PEEK renforcé en fibres de carbone continues APC‐2 (Monaghan 1991). Dans le cas de structures aéronautiques les composites sont principalement réalisés à partir de nappes unidirectionnelles, ce qui évite le phénomène d’embuvage (ondulation des fibres) observé dans le cas des tissus. Selon le mode de sollicitation de la pièce finale, plusieurs types de drapages peuvent être envisagés. Les drapages les plus classiques sont les suivants :

 Unidirectionnel (UD), les plis de fibres unidirectionnelles sont parallèles les uns aux autres (Figure I. 14.a).

 [0/90°]s; Les plis de fibres unidirectionnelles sont placés perpendiculairement les uns par rapport aux autres et l’empilement est symétrique (Figure I. 14.b).

 [+45/‐45°]s; Les plis de fibres unidirectionnelles sont orientés à (+ ou ‐ 45°) par rapport à l’arrête du composite et l’empilement est symétrique (Figure I. 14.c).

 Drapage spécial dit quasi‐isotrope (propriétés mécaniques quasi‐identiques suivant le plan du composite (x, y)). Le composite est réalisé à partir d’un empilement symétrique de séquences [0/+45/90/‐45]s (Figure I. 14.d).

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I.4.2. Interface fibre matrice dans les composites à matrice

thermoplastique

L’interface fibre‐matrice, bien que n’étant pas, à proprement parler une phase constituante, joue néanmoins un rôle primordial vis‐à‐vis des propriétés mécaniques finales du composite puisqu’elle assure la continuité du transfert de charge. C’est essentiellement au niveau de cette zone interfaciale ou interphase que se développent les concentrations de contraintes. Ces dernières sont dues aux différences de modules élastiques et de coefficients de dilatation thermique ainsi qu’au retrait lié à la cristallisation des thermoplastiques lors de la mise en œuvre.

La qualité de l’interface, (c’est‐à‐dire sa cohésion, sa durabilité…) est directement associée au comportement au mouillage des fibres par la matrice, à l’établissement d’interactions mécaniques et/ou physico‐chimiques et au processus de solidification de la matrice. Cette interphase, joue un rôle important vis‐à‐vis des propriétés mécaniques et de la durabilité du composite.

Dans le cas des composites à matrice thermodurcissable la liaison fibre/matrice peut être optimisée par l’ajout d’ensimage spécifique (à base d’agent de couplage). En revanche, dans le cas des composites à base de matrice thermoplastique et en particulier le PEEK, les ensimages classiques industriels ne supportent pas les températures de mise en œuvre. Cependant, dans le

a b

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cas des composites à matrice thermoplastique semi‐cristalline, une phase cristalline fortement orientée se développe au niveau de l’interface. En effet, la présence d’un corps étranger, tel que les fibres peut influencer de manière notable les phénomènes de germination et de croissance de la phase cristalline. Ces surfaces sont susceptibles d’agir comme des agents nucléants. L’apparition et la croissance de germes se font de manière préférentielle perpendiculairement à la surface des fibres donnant naissance à une interphase dite phase transcristalline ou (TCL) (Transcrystalline layer) (Gao 2000 ; Wang 1991 ; Blundell 1989). De nombreux auteurs ont mis en évidence que la présence de cette interphase cristalline a un effet bénéfique sur le comportement mécanique des composites à matrice PEEK (raideur, résistance (Nuriel 1999), comportement au frottement (Sınmazcelik 2005), fatigue (Tregub 1993)). Parlevliet et. al. (2003) ont montré que la présence de cette phase augmente l’efficacité du transfert de charge (fibre/matrice) grâce à l’amélioration de l’ancrage mécanique associée à de fortes contraintes radiales.

Figure I. 15.a) Diagramme schématique montrant la croissance de sphérolites hautement orientés à partir d’une fibre (Gao 2000).

b) Micrographie obtenue par MEB du composite PEEK APC‐2 traité par plasma/argon, montrant la transcristallinité (Wang 1991).

c) Micrographie MEB montrant une surface transverse du PEEK traitée chimiquement (b) indique la germination depuis la surface des fibres et c) germination dans la matrice (Blundell 1989).

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Partie II

Procédures expérimentales : Caractérisations des