Réponse en compaction des renforts synthétiques

La compaction désigne la condition d’un renfort soumis à une force appliquée perpendiculairement à son plan [93]. La littérature sur l’étude de la compaction des renforts à fibres synthétiques est abondante. Robitaille et coll. [94] se sont intéressés au comportement en compaction et en relaxation de différents renforts en fibres de verre. La relaxation (des contraintes) mesure ou défini la variation (baisse) dans le temps de la pression nécessaire pour maintenir constante l’épaisseur de la préforme; ce phénomène est présent dans les procédés comme le RTM [3]. En revanche, si une pression constante est appliquée à une préforme, son épaisseur diminuera graduellement avec le temps. Ce phénomène désigne le fluage et est présent dans les procédés de moulage par infusion sous vide [3]. Leurs travaux

montrent que le paramètre qui influence le plus la compaction et celui qui agit le plus sur la relaxation ne sont pas identiques. La compaction est majoritairement influencée par le nombre de cycles de chargement tandis que la relaxation dépend du taux de compaction.

Leurs travaux montrent aussi que l’architecture du renfort, le nombre de couches, le temps de maintien sous pression, le taux de compaction et la pression maximale atteinte ont une influence sur le Vf final [94]. La Figure 2.6 présente un cycle unique de compaction. Le

renfort est compacté jusqu’à l’épaisseur désirée. Une fois atteinte, cette épaisseur est maintenue pendant une durée de temps fixe, après quoi, la charge de compaction est retirée le plus rapidement possible afin de permettre au renfort de recouvrer librement son épaisseur. Ce recouvrement comporte trois phases : une phase rapide induite par le retour élastique du renfort après relâchement de la charge de compaction, une phase beaucoup plus lente et durant laquelle l’épaisseur recouvrée dépend du temps (phase viscoélastique). La troisième partie représente la déformation non recouvrée et représente la déformation permanente [95, 96]. Somashekar et coll. [97] ont étudié la compaction de renforts de types mat et taffetas en fibres de verre en fonction du nombre de cycles de chargement et de certains paramètres procédés.

Leur étude démontre qu’après plusieurs cycles consécutifs de chargement/déchargement, la déformation permanente est du même ordre de grandeur que la déformation élastique et augmente à la fois avec le nombre de cycles et le nombre de couches de renfort. L’étude montre aussi que la déformation permanente dépend de l’architecture du renfort, du Vf final,

du temps de maintien à Vf final et de la vitesse de compaction. Wu et coll. [98] se sont

intéressés aux effets des paramètres de compaction et de préformage (température de compaction, température d’activation du liant, teneur en liant et temps d’activation) sur le taux volumique de fibres et l’épaisseur résiduelle d’une préforme de tissus de verre NCF contenant un liant époxyde sous forme de poudre. Leur étude montre que la température de compaction influence fortement la fraction volumique de fibres et l’épaisseur résiduelle de la préforme. De plus, la présence de liant dans les renforts influence significativement la réponse en compaction.

Figure 2.6: schémas cycle unique de compaction. Image modifiée de [95].

Gutiérrez et coll. [99] ont étudié l’effet des paramètres de vibration (amplitude et fréquence) sur la réponse en compaction et l’imbrication des fils et fibres (communément appelée "nesting" à la Figure 2.7) de deux architectures de renforts en fibres de verre. Comme le montre la Figure 2.7, l’imbrication (ou la nidification) peut se produire par suite du déplacement géométrique entre les fils adjacents ou par suite de l’insertion des fils d’une couche entre les fils de la couche voisine. Cette étude montre l’importance de la nidification des fibres sur l’augmentation du Vf lorsque le nombre de couches de renfort augmente. Cette

étude montre aussi que, selon l’architecture du renfort, la force de fermeture du moule peut être réduite considérablement par rapport à un essai de compaction sans vibration.

Figure 2.7: Principaux facteurs affectant la nidification des fibres [99].

que l’effet de l’amplitude est minime. Par ailleurs d’autres paramètres telles que la rigidité en flexion et les propriétés de surface (tribologie) des fibres peuvent influencer la nidification. Renaud et coll. [100] ont étudié l'influence de la lubrification à l'eau, de la température, du motif de tissage et de la présence d'un enzymage de polymère à la surface des fibres sur le fluage en compaction de tissus 3D interlock en fibres de carbone. Ils ont montré que la température et la lubrification à l'eau améliorent la capacité de compactage de ces tissus et que les effets de ces deux paramètres sont combinatoires. Dans le cas des renforts contenant un enzymage, l’augmentation de la température de compaction conduit à la diminution de la viscosité du polymère constituant l’enzymage sur les fibres; ce qui se traduit par une réduction du coefficient de frottement et donc une amélioration de la capacité de compaction.

Kruckenberg et coll. [101] ont évalué le comportement en compaction quasi-statique de différentes architectures de renforts secs et lubrifiés de fibres de verre grâce à une solution de glycérine diluée avec de l’eau. Ils ont montré que les renforts lubrifiés étaient plus faciles à compacter que les renforts secs. De plus, en raison de la nidification, les empilements contenant plus de couches étaient plus faciles à compacter que ceux qui en contenaient moins. Chen et al [102] ont identifié cinq facteurs qui influencent la compaction de différentes architectures de renforts en fibres de verre: déformation de la section droite des fils, aplanissement des fils, flexion des fils, condensation des vides et espaces et nidification. L’amplitude de ces phénomènes dépend de l’architecture du renfort. Par exemple, la nidification est un facteur dominant pour les tissus. La condensation des vides et espaces est un facteur important pour les mats à fibres courtes et les tissus. Li et coll. [103] ont décrit le processus de nidification et son influence sur la compaction de différentes architectures de renforts NCF en fibres de carbone. Dans le cas des NCF, la nidification est due à l’enfoncement de certains fils (fils de couture par exemple) et la distorsion des faisceaux de fibres au niveau des espaces intra-couches contrairement aux tissus où la nidification se produit du fait d’un déplacement transverse (hors-plan) des fils entre couches adjacentes (voir Figure 2.8). Leur étude révèle aussi le fait que, pour ces renforts, la lubrification et la vitesse de compaction n’ont pas d’effet significatif sur le processus de compaction mais ont un effet sur la relaxation.

Figure 2.8: Illustration de l’imbrication dans les renforts tissés (a) et dans les renforts NCF (b) [103].

Pour des NCF en fibres de carbone, Yang et coll. [104] ont montré que la nidification et le modèle de tissage ont peu d’effet sur la variation d’épaisseur par couche de renfort. Wei et coll. [105] ont étudié les effets de la teneur en liant chimique et de différents paramètres procédés sur le comportement en compaction de tissus en fibres de carbone. L’augmentation de la teneur en liant conduit à l’augmentation de la proportion viscoélastique de l’épaisseur recouvrée à la fin des tests de compaction et de la proportion de déformation permanente. Réduire la vitesse de compaction permet d’augmenter le taux de fibres mais augmente par le fait même la durée de préformage.