Organisation de la thèse

Cette thèse est divisée en huit chapitres :

Le premier chapitre présente l’introduction dans laquelle le cadre de l’étude est précisé et la problématique et les objectifs de recherche sont définis.

Le deuxième chapitre est consacré à une revue bibliographique qui est composée de trois parties principales. Dans la première partie nous présentons, d'une manière générale, les matériaux composites et leurs différents constituants potentiels : la matrice, le renfort, les charges et les additifs. Dans la deuxième partie, le cas spécifique des structures sandwichs est abordé et les différents modes de défaillance des structures sandwichs sous des sollicitations mécaniques sont présentés. Finalement, dans la troisième partie nous présentons une synthèse des travaux de recherche réalisés pour comprendre l’effet de l’humidité sur les propriétés des matériaux composites. Cette partie est indispensable pour la compréhension du phénomène de vieillissement

ainsi que les paramètres qui contrôlent la cinétique de diffusion de l’humidité. Nous présentons aussi les effets de l’humidité sur les propriétés physiques et mécaniques des matériaux composites. Dans le troisième chapitre, nous présentons la démarche scientifique qui a été adoptée dans cette thèse afin d’atteindre les objectifs de ce travail de recherche. Nous présentons d’abord les matériaux choisis et les procédures expérimentales utilisés pour fabriquer et caractériser les structures en composite étudiées dans ce travail. Comme la vérification de la durabilité des structures composite occupe une bonne partie de ce projet, la deuxième section de ce chapitre présente la méthodologie utilisée pour le conditionnement des échantillons ainsi qu’une description détaillée des différents tests de caractérisation qui ont été effectués pour étudier les effets de l’humidité sur les propriétés des composites utilisés dans ce travail de recherche.

Dans le quatrième chapitre, nous avons étudié l'effet de la taille des particules et de la fraction massique des charges de trihydrate d'alumine (ATH) sur la viscosité, la cinétique de durcissement, le temps de polymérisation, le retrait volumique ainsi que les propriétés mécaniques de l’époxy, destiné à être utilisé comme coulée pour l’extension de l’avant-directrice. Cette étude sur l’effet de la taille et le taux d’ATH a été effectuée pour mieux comprendre l’influence des charges sur les propriétés de la résine époxy et pouvoir ainsi choisir la taille des particules et le taux d’ATH qui sont les mieux adaptés à notre application industrielle.

Le cinquième chapitre se concentre sur la caractérisation expérimentale et la modélisation du comportement au choc d'un panneau sandwich multifonctionnel à double âme conçu pour la réhabilitation de turbines hydroélectriques. Le panneau sandwich étudié est constitué de deux peaux en époxy renforcé de fibres de verre NCF et d’une âme double, composée de deux couches d'époxy chargé de trihydrate d'alumine (ATH / époxy) séparées au centre par une mousse de polystyrène extrudé (XPS). Des essais d'impact à faible vitesse ont été effectués à différentes énergies d'impact pour tenir compte de la présence de débris dans le flux d'eau qui ont été identifiés comme la principale source de dommages pour les composants des turbines hydrauliques. Par conséquent, la compréhension de la réponse aux impacts des structures sandwich appropriées pour être utilisées comme extension d’avant-directrice de la turbine hydraulique est cruciale pour assurer la durée de vie de la turbine. La première partie de ce chapitre concerne les résultats des essais de caractérisation des propriétés mécaniques de la peau, de la résine époxy chargée d’ATH et de la mousse polystyrène extrudé. Dans la deuxième partie, nous présentons et discutons les résultats

des essais d’impact effectués dans le but de caractériser les propriétés à l’impact de la structure sandwich étudiée. Dans la dernière partie de ce chapitre, nous présentons les résultats obtenus par un modèle numérique 3D qui a été développé pour simuler les essais d'impact et en particulier, la distribution d'énergie et les dommages dans les constituants du sandwich.

Dans le sixième chapitre, nous regroupons les résultats des expériences qui ont permis de cerner le phénomène de vieillissement en immersion, afin de pouvoir choisir la meilleure formulation pour la coque, parmi les six différentes configurations de stratifiés étudiées. Dans un premier temps, nous exposerons les résultats de la cinétique d’absorption pour les stratifiés étudiés ainsi que l’influence de la nature et du type des matériaux sur le processus de diffusion. À cette fin, des comparaisons entre les résultats des stratifiés fabriqués avec deux résines différentes (époxy et vinylester), deux types de tissage (satin et NCF) et avec et sans voile de surface ont été effectuées. La deuxième partie présente succinctement les résultats des tests de DMA et l’effet de l’humidité sur la température de transition vitreuse des composites à matrice époxy et les composites à matrice vinylester ainsi que les variations dimensionnelles dues au vieillissement. La troisième partie comprend les résultats obtenus des essais de traction afin d’étudier l’effet de l’humidité sur les propriétés mécaniques des stratifiés qui peuvent être utilisés pour la fabrication de la coque de l’extension de l’avant-directrice. Dans la dernière partie, nous nous intéressons à la modélisation du processus de diffusion de l’humidité dans le matériau en appliquant le modèle de Fick. Enfin, on visera à prévoir l’évolution des propriétés mécanique à long terme.

Dans le septième chapitre, nous étudions les propriétés à l’impact de deux sandwichs en composite. Le premier sandwich est constitué de deux peaux en verre E/époxy et une âme en époxy chargé d’ATH et le deuxième sandwich se distingue du premier par l’ajout de 30 phr du modificateur (diluant) à la formulation de l’âme. L’ajout du modificateur a pour but de diminuer la viscosité de la coulée et par conséquent, faciliter la fabrication de l’extension de l’avant-directrice. En plus des structures sandwich plats qui représentent les côtés de l'extension de l'avant-directrice, des structures avec courbure de rayon 60 mm ont été testées à différentes énergies d’impact. Ces structures représentent le bord d'attaque de l’extension de l’avant-directrice, qui est la partie la plus susceptible à recevoir des impacts par des roches charriées par l’eau. Une comparaison entre la réponse au choc des structures avec courbure et celle des sandwichs plats a été effectuée afin de vérifier l’effet de la géométrie sur les propriétés à l’impact. Dans la dernière partie de ce chapitre nous avons comparé les résultats des essais d’impact effectués sur des structures sandwich qui ont

subies un vieillissement en immersion dans l’eau à deux températures différentes (23 et 40°C) à ceux des échantillons non vieillis afin de vérifier l’effet de l’humidité sur les propriétés à l’impact des structures étudiées.

Finalement, dans le huitième chapitre, nous présentons une conclusion générale, qui viendra mentionner brièvement les principaux résultats apportés par ce travail afin d’en rappeler la contribution scientifique, suivie par des recommandations et des perspectives pour la suite.