Contrôle et optimisation d'un procédé de fabrication de mousses acoustiques thermodurcissables à porosité ouverte

Dans de nombreux domaines industriels tels que l'aéronautique, la construction ou encore les transports, la réduction du bruit revêt un enjeu majeur. Dans le cas des aéroports par exemple, les normes de régulation du bruit sont de plus en plus strictes. Les efforts se multi- plient pour élaborer de nouveaux matériaux et de nouvelles techniques de réduction du bruit. Les industries se tournent ainsi vers des matériaux acoustiques tels que les matériaux poreux à cellules ouvertes, à la fois légers et aux bonnes propriétés d'absorption du son. Toutefois, les procédés de fabrication de ces matériaux sont en général coûteux et les matériaux obtenus présentent un compromis non optimal entre propriétés acoustiques et mécaniques. Le projet de maîtrise a pour but de développer un nouveau procédé de fabrication reposant sur la lixiviation de particules, et dont les matériaux obtenus sont des mousses thermodurcissables alliant de bonnes propriétés acoustiques et mécaniques. Dans un premier temps, les paramètres du procédé ont été identifiés puis étudiés afin d'éva- luer leur influence sur les propriétés des mousses fabriquées. Les contraintes de fabrication des mousses thermodurcissables aux pores interconnectés ont été étudiées pour assurer la faisabilité du procédé. Par la suite, des tendances entre les paramètres du procédé et les propriétés des mousses ont été mises en évidence en variant les paramètres de fabrication. Les valeurs et natures des paramètres procédés ont été élargies à de nouveaux types de ré- sine et de nouvelles tailles de particules afin de définir les limites du procédé. Une méthode de caractérisation inverse, basée sur des mesures acoustiques, a permis de déterminer cinq paramètres physiques, définis par des modèles acoustiques, tels que le modèle de Johnson- Champoux-Allard-Pride-Lafarge utilisé dans cette étude, et qui permettent de caractériser les mousses acoustiques. La caractérisation des mousses a été complétée par des essais mé- caniques en compression. Enfin, la simplicité et la versatilité du procédé ont été confirmées par la fabrication de mousses multicouches. Cette analyse avait pour but de combiner les propriétés acoustiques observées sur les mousses monocouches dans un seul matériau. Des analyses au microscope et au microtomographe à rayons X ont montré que les pores sont interconnectés au sein des matériaux fabriqués, ce qui prouve l'efficacité du procédé à fabriquer de tels matériaux. Les pores sont les empreintes des particules utilisées, assurant ainsi le contrôle de la microstructure. La porosité et l'épaisseur des mousses reposent sur la taille des particules, sur le ratio entre la quantité de résine et la quantité de particules, ainsi que sur la pression de compaction. La pression de compaction est apparue comme le paramètre procédé déterminant dans la fabrication des mousses par sa capacité à faire entrer les particules en contact et permettant ainsi un lessivage complet des particules et donc une microstructure à pores interconnectés. Les mousses fabriquées présentent une absorption acoustique sur une large bande de fréquences, ainsi que des modules en compression valant jusqu'à 80MPa. Les résultats montrent qu'un compromis optimal entre absorption et module en compression peut être atteint en utilisant des tailles de particules variant entre 500µm et 700µm. La méthode de caractérisation inverse a permis de compléter la caractérisation des mousses monocouches. Une analyse des matériaux multicouches a montré que selon la couche de matériau faisant face à l'onde sonore, le multicouche se comporte soit comme un absorbant sur une large bande de fréquences, encore plus efficace que les matériaux monocouches dont il est constitué, soit comme un résonateur basses fréquences.

Abstract

With noise standards becoming more stringent, aeronautics, construction and transportation industries are part of engineering fields where noise reduction is a major challenge. Signifi- cant efforts are made to create new materials and new techniques for noise absorption and reduction. To achieve their goals, industries turn to acoustic materials such as porous open- cell materials for their excellent broadband noise absorption capabilities and their lightness. However, foaming processes remain expensive, and not fully controllable. The aim of the project was to develop a new particulate leaching process of which resulting foams, based on thermosets, exhibit both attractive acoustical and mechanical properties. First, processing parameters were identified and investigated to evaluate their influence on the foams produced. The conditions to produce thermoset foams with interconnected pores were defined. Processing parameters and the physical properties of the foams were determined. Trends were confirmed experimentally, ensuring control of the microstructure. To validate the flexibility of the process, new types of resin and new particle sizes were investigated as well. Based on acoustic measurements and on acoustic models such as the Johnson-Champoux- Allard-Pride-Lafarge (JCAPL) used in this study, an inverse characterization method was used to define the physical parameters of the foams. To complete the characterization, compression tests were performed on the foams. Finally, the simplicity and the versatility of the process was confirmed by fabricating multilayer foams. The investigation of the multilayer materials was motivated by the need to combine the acoustical and mechanical properties of the one-layer foams to produce a more efficient material. Microscope and X-ray microtomograph analyses proved that foams porosity was indeed well interconnected, proving the efficiency of the process. The pores are the footprints of the original particles. Therefore full control of the microstructure is ensured. Moreover, porosity and thickness of the foams depend on particle sizes and compaction pressure. The compaction pressure is the determinant processing parameter as it ensures contact between particles and allows complete leaching of the particles leaving a network of interconnected pores. Thus, acoustical and mechanical properties also depend on particle sizes and compaction pressure. The foams produced exhibit broadband absorption capabilities, combined with compressive moduli as high as 80MPa. Results showed that an optimal compromise between acoustic absorption and compressive modulus can be found for particle sizes between 500µm and 700µm. The analysis of multilayer materials showed that depending on the layer facing the sound wave, the multilayer can either act as a broadband absorber or as a low-frequency resonator. The results of the present work open new research avenues. For instance, based on the re- lationships between processing parameters and material properties, new procedures for the manufacturing of large flat parts can be developed. Such procedure can open the way for future industrialization of the process. Good acoustical and mechanical properties pave the way to use the thermoset foams as core for functionalized sandwich panels which applications have to be investigated.