Étude des propriétés de mise en oeuvre de renforts fibreux interlock tridimensionnels

Les matériaux composites sont à l'heure actuelle très utilisés pour fabriquer des pièces à haute performance. Ils remplacent de plus en plus fréquemment les alliages métalliques dans les pièces structurales. On les retrouve dans des domaines variés tels que l'automobile, l'aéronautique ou encore le nautisme. Un des principaux avantages de ce type de matériau est qu'il existe un très grand nombre de combinaisons possibles de ses constituants afin de répondre au mieux aux sollicitations mécaniques et thermiques auxquelles une pièce peut être soumise. Il est ainsi possible de combiner un renfort à base organique ou inorganique possédant une architecture tissée, piquée ou encore tricotée avec une matrice, elle aussi organique ou inorganique, possédant des propriétés physico-chimiques compatibles avec les fibres. Il est cependant nécessaire d'avoir une bonne connaissance de chacun des deux constituants afin d'obtenir les propriétés désirées, particulièrement dans le cas des procédés de fabrication par moulage liquide (LCM). Un des objectifs poursuivis dans la chaire de recherche Safran est d'améliorer la connaissance des propriétés de mise en oeuvre des fibres et de la résine lors des différentes phases de fabrication de cette famille de procédés. Cette thèse s'inscrit dans cette direction en s'intéressant à deux de ces étapes : le préformage des renforts et l'injection de résine à travers les fibres. Elle se concentre en particulier sur le comportement des renforts en compaction et leur perméabilité. Ce projet de recherche a donc été divisé en deux grandes parties : (1) l'étude de la compaction de divers renforts fibreux (mat, renforts 2D et tissés 3D) ; (2) la mesure et la modélisation de la perméabilité des renforts 3D interlock. Chacune de ces parties a fait l'objet de deux articles divisant ainsi la thèse en quatre sections. Dans la première section de cette thèse, le comportement en compaction des renforts fibreux ainsi que l'influence de certains paramètres de mise en forme (par exemple la vitesse de compaction) sur ce comportement ont été étudiés. Ainsi, trois renforts 2D possédant une architecture très différente et trois renforts 3D avec des patrons de tissage distincts ont été compressés à l'aide de plateaux parallèles fixés sur une machine de traction-compression.

Abstract

Composite materials are increasingly used to design high-performance parts and replace metallic alloys in various fields such as automotive, aerospace and marine. One advantage of this type of material lies in the large number of possible combinations of fibers and polymer matrices to respond to mechanical and thermal stresses. It is possible to combine an organic or inorganic reinforcement organized with a woven, stitched or knitted architecture with an organic or inorganic matrix having physicochemical properties compatible with the fibers. However, it is necessary to have a good knowledge of both components to obtain the desired properties, especially in the case of processes such as Liquid Composite Molding (LCM). One of the objectives of the Safran research chair is to improve the knowledge of the fiber and resin properties during the different processing stages. This thesis focuses on two of these stages: the preforming of the fibrous reinforcement and the resin injection through the fiber bed. Two properties of the fibrous reinforcement are intimately related to these two stages of the fabrication process: the compaction behavior and permeability. This investigation is thus divided in two parts: (1) the study of the compaction behavior of various fibrous reinforcements (mat, 2D and 3D fabrics); (2) the permeability measurement and modeling of 3D interlock fabrics. Each part has been separated following two different goals, dividing the thesis in four sections. The first goal was to improve the understanding of the compaction behavior of the fibrous reinforcements. Firstly, three 2D reinforcements of different architectures and three 3D fabrics with distinct weaving patterns have been compressed using parallel plates mounted on a tension-compression machine. The influence of the closing speed of the plates, the number of reinforcement layers, the fiber density and the lubrication of the fibers on the compaction behavior were considered during the tests. The results obtained experimentally revealed that it is difficult to model the compaction of these different reinforcements considering a unified framework. It was therefore proposed to retain the experimental approach rather than using models to obtain future results.