Caractérisation par microtomographie de la mésostructure des renforts fibreux pour la fabrication de composites

Au cours des dernières années, les procédés de fabrication par injection comme le moulage par transfert de résine (RTM) ont connu un fort développement ayant mené à des applications industrielles concrètes dans les domaines aéronautique et automobile. Toutefois, ces réussites ne doivent pas faire oublier que plusieurs problèmes scientifiques reliés aux procédés de fabrication par injection sur renforts restent mal compris. Parmi ces problèmes, l'imprégnation de renforts textiles reste un point critique car la performance mécanique d'un composite peut être fortement affectée par les vides générés lors de l'étape d'injection. Cette étape de fabrication est cruciale pour obtenir une imprégnation totale et produire des composites de hautes performances. Du fait de la double échelle de porosité des renforts, l'écoulement de résine est complexe. Une meilleure connaissance de la porosité des renforts fibreux permettrait une meilleure compréhension des modes d'écoulement de la résine et la mise en place d'ajustements lors de la phase d'injection. La microtomographie aux rayons X est une technique d'imagerie non destructrice des matériaux, qui est utilisée depuis quelques années pour caractériser la microstructure des matériaux composites. Ses applications sont vastes, de la détection des défauts dans les pièces fabriquées à la calibration de modèles de compression de renforts tissés. Cette méthode est fondée sur l'atténuation des rayons X par la matière, qui permet d'avoir une image tridimensionnelle de l'échantillon. Le microtomographe XT H 225 de Nikon, disponible à l'École de Technologie Supérieure à Montréal a été utilisé pour réaliser toutes les observations effectuées dans le cadre de ce projet. La présente étude basée sur cette approche vise à étudier l'influence du niveau compaction sur la morphologie du renfort et la répartition des mésopores. Un premier dispositif in-situ de compaction est développé pour effectuer des observations microtomographiques préliminaires à différents taux de fibres. Après avoir montré le potentiel de la microtomographie pour caractériser la mésoporosité d'un renfort fibreux et les possibles améliorations à apporter au dispositif, un nouveau dispositif est ensuite conçu et fabriqué. Deux types de tissus ont été caractérisés avec le nouveau dispositif : un renfort orthogonal tridimensionnel en fibres de verre et un renfort tissé bidimensionnel en fibres de verre.

Abstract

In recent years, injection manufacturing processes such as resin transfer molding (RTM) have experienced strong development leading to concrete industrial applications in the aerospace and automotive fields. However, these successes should not overshadow the fact that many of the scientific issues related to reinforcement injection manufacturing processes remain poorly understood. Among these problems, the impregnation of textile reinforcements remains a critical point because the mechanical performance of a composite can be strongly affected by the voids generated during the injection step. This manufacturing step is crucial to achieve total impregnation and produce high-performance composites. Due to the double porosity scale of the resins, the resin flow is complex. A better knowledge of the porosity of the fibrous reinforcements porosity would allow a better understanding of the resin flow modes and the setting up of adjustments during the injection phase. X-ray microtomography is a non-destructive imaging technique for materials that have been used for some years to characterize the microstructure of composite materials. There are numerous applications, from the detection of defects in manufactured parts to the calibration of compression models of woven reinforcements. This method is based on the attenuation of X-rays by the material, which makes it possible to have a three-dimensional image of the sample. The Nikon XT H 225 microtomography, available at ETS « École de Technologie Supérieure » in Montreal, was used to perform all the observations made in this project. The present study based on this approach aims to explore the influence of the compaction level on the morphology of the reinforcement and the distribution of the mesopores. A first in-situ compaction device is developed to perform preliminary microtomographic observations at different fiber levels. Having shown the potential of microtomography to characterize the mesoporosity of a fibrous reinforcement and the possible improvements to be made to the device, a new device is then designed and manufactured. Two types of fabric have been characterized by the new device: three-dimensional orthogonal fiberglass reinforcement and two-dimensional fiberglass reinforcement. Several observations with a fiber content between 45% and 65% are made for both tissues. An image processing procedure was implemented using the FIJI software.