Caractérisation expérimentale des écoulements capillaires dans les renforts fibreux à double échelle de porosité

Aujourd'hui, les matériaux composites à matrice polymère renforcés jouent un rôle important dans des secteurs technologiques de pointe comme l'aéronautique par exemple. En effet, ces matériaux conservent des propriétés mécaniques intéressantes pour un poids réduit en comparaison avec des matériaux plus standards comme les différents alliages métalliques. L'autoclave reste la principale méthode de fabrication des composites, mais les procédés d'injection sur renforts (« Liquid Composite Molding (LCM) ») sont de plus en plus utilisés pour la fabrication des composites à haute performance. Dans les procédés LCM, le renfort fibreux est d'abord déposé dans la cavité du moule. Ensuite, le moule est fermé et une résine polymère est injectée ou infusée sous vide à travers le renfort. Après consolidation et cuisson, la pièce finale est démoulée. Les renforts utilisés dans les procédés LCM possèdent en général une architecture à double échelle de porosité avec des macropores entre les mèches et des micropores dans les mèches. Dans ces procédés la capillarité joue un rôle important au niveau de l'imprégnation des mèches. Cependant, ce même phénomène est aussi responsable en grande partie de la formation de « vides ». Il est important de différencier la notion de « porosité » et les « vides ». La « porosité » d'un renfort fibreux représente la somme des espaces libres entre les mèches du renfort et à l'intérieur de celles-ci, avant imprégnation par la résine. Les « vides » sont les espaces résiduels qui n'ont pas été remplis par la résine après l'injection. Les porosités constituent une caractéristique du renfort, alors que les vides sont propres à la pièce composite finie et dépendent du procédé de mise en oeuvre. Afin de minimiser la formation des vides, il est primordial de comprendre les mécanismes d'imprégnation du renfort fibreux dans les procédés LCM. C'est pourquoi une étude des écoulements capillaires dans les renforts fibreux à double échelle de porosité est nécessaire. A cette fin, un nouveau montage expérimental fondé sur la montée capillaire a été développé afin de suivre l'évolution de l'écoulement capillaire dans les mèches et les renforts.

Abstract

Today, polymer matrix composites reinforced with continuous fibers play an important role in advanced technological sectors such as aeronautics and aerospace through their high mechanical properties and relatively low weight compared to metallic alloys. The main manufacturing method remains autoclave, but Liquid Composite Molding (LCM) processes are increasingly in the fabrication of high performance composites. In LCM, after closure of the mold or covering of the fibrous reinforcement with a plastic bag, a polymer resin is either injected or infused under vacuum through the fiber bed. After consolidation and curing, the finished composite part is unmolded. The fabrics commonly used in LCM exhibit in general a dual scale architecture: microscopic pores exist between the filaments of the fiber tows, while macroscopic pores are created between the tows. Impregnation of the fiber tows carried out by capillary forces is largely responsible of « void » formation. It is important to differentiate « porosity » and « voids ». « Porosity » represents the sum of empty spaces between the fiber tows and inside the fiber tows of the fibrous reinforcement before resin impregnation. « Voids » are the unfilled spaces after resin injection. Porosity is a characteristic of fibrous reinforcement, whereas the creation of voids in the finished composite part is specific to the process. To understand the mechanisms of resin impregnation and the formation of voids in LCM, a study of capillary flow in fibrous reinforcements of dual scale porosity is necessary. For this purpose, a new experimental setup is proposed in this research project to observe and monitor the evolution of capillary flows in fiber tows and fibrous reinforcements. The capillary rise method has already been used in Soil Mechanics and to characterize engineering fabrics. However, such experiments are not easy to perform, because of technical deficiencies such as textile alterations, changes in fluid properties and the difficulty to follow accurately the progression of the capillary front that result from image fading. To circumvent these problems, a new monitoring technique based on fluorescent dye penetration inspection (DPI) and image acquisition is proposed. In the experimental observation of the capillary front and the measurement of the uptake fluid mass absorbed by the fabric, images taken during the capillary rise are associated with the mass absorbed over time. The mass of absorbed fluid is then associated with the evolution of the fluid front on the images during a capillary rise.