3D Interlock Composites Multi-Scale Viscoelastic Model Development, Characterization and Modeling

Les matériaux composites, et plus particulièrement les composites à renforts tridimensionnels (3D), sont de plus en plus utilisés dans l'industrie aérospatiale. En effet, les renforts 3D ont été développés afin d'améliorer les propriétés hors-plan ainsi que la résistance à l'impact et au délaminage. Les composites à renforts 3D sont généralement fabriqués par transfert de résine (Resin transfer Molding, RTM). Cependant, le développement de contraintes résiduelles dans les pièces est intrinsèque au procédé de fabrication et peut induire des déformations géométriques. Ces contraintes résiduelles et ces déformations résultantes peuvent par la suite affecter les performances des pièces fabriquées. C'est pourquoi des outils numériques ont été développés pour prédire le développement des contraintes résiduelles pendant la fabrication. La précision de ces outils dépend, cependant, des modèles matériaux utilisés. En effet, les modèles doivent tenir compte de l'évolution de la température et du degré de polymérisation du matériau au cours du procédé de fabrication pour réussir à prédire précisément le développement des contraintes résiduelles et les déformations géométriques résultantes. Cette thèse porte sur le développement d'un modèle viscoélastique linéaire thermodynamiquement admissible prédisant le comportement mécanique d'un matériau composite à renfort tissé 3D interlock, en fonction de la température et du degré de polymérisation. Le comportement viscoélastique a été attribué entièrement à la résine. Le modèle a donc tout d'abord été développé pour prédire le comportement viscoélastique de la résine pure. Il a ensuite été étendu par homogénéisation afin de modéliser le comportement des torons de chaine et de trame. Finalement, suite à une seconde procédure d'homogénéisation, le modèle a été généralisé pour prédire les propriétés homogénéisées du composite. Ce modèle a été implémenté par une autre étudiante au doctorat dans un outil de calcul afin de prédire l'évolution des contraintes résiduelles au cours de la fabrication par RTM de pièces structurales en composites tissés 3D et permet de modéliser adéquatement le comportement viscoélastique qui apparaît lors de la post-cuisson. Une campagne expérimentale a d'abord été menée afin d'évaluer le comportement viscoélastique linéaire de la résine pure. Des échantillons entièrement et partiellement polymérisés ont été fabriqués (sept degrés de polymérisation différents à partir du point de gel) puis testés en flexion trois points dans une DMA (Dynamic Mechanical Analyser). Des essais de relaxation à différentes températures ont été réalisés, en portant attention à ne pas dépasser la température de transition vitreuse (Tg) des échantillons partiellement polymérisés afin d'éviter la progression de la polymérisation pendant les essais. Les échantillons entièrement polymérisés ont par exemple été testés à 9 températures, entre 30�C et 150�C inclusivement.

Abstract

Composites with three-dimensional (3D) reinforcements are increasingly used in the aerospace industry to overcome the 2D laminates limitations (low impact and delamination resistance). Structural parts are now made of composites reinforced with 3D fabrics due to their high specific mechanical properties and delamination resistance. However, residual stresses development is inherent to the manufacturing process and can induce geometrical distortions, leading to performance losses. Numerical tools have been developed to predict the residual stresses but coherent input material models are required to improve the tools accuracy. The aim of this thesis was to develop and validate a thermodynamically consistent linearly viscoelastic model to predict the mechanical properties of a composite made of an epoxy resin and a 3D interlock woven carbon fibers fabric, as a function of temperature and degree of cure (DoC). The model was developed for the neat epoxy resin first. Then, the warp and weft tows' properties were computed by homogenization and the composite's properties were finally obtained through a second homogenization procedure considering the resin, warp and weft tows behaviors, as functions of temperature and degree of cure. The model has been implemented by another Ph.D student into a numerical tool to predict the residual stresses development during 3D woven composite parts manufacturing and succeeded to model the viscoelastic behavior that occurred during the post-curing. First, a characterization campaign on the epoxy resin was carried out. Temperature- and degree of cure-dependent linearly viscoelastic behavior was assessed through multi-temperature tests using a three point bending fixture in a Dynamic Mechanical Analysis (DMA) apparatus. Multi-temperature relaxation tests were performed in the resin's linear domain strain range on fully and partially cured specimens, at temperatures ranging from 30 �C to their respective glass transition temperatures. The viscoelastic constitutive model development was based on the Thermodynamics of irreversible processes to ensure a thermodynamically admissible model. The Time Temperature Superposition Principle (TTSP) was applied and master curves were constructed for each performed test to compute the shift factors. An Arrhenius law was identified to relate temperature and degree of cure into the shift factors, with the glass transition temperature Tg as reference temperature. The degree of cure-dependent glass transition temperature was added through the DiBenedetto relationship. The relaxation stiffness tensors were associated with the relaxation times through a continuous spectra function.