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Thermique / physico-chimie / mécanique : l’indispensable triptyque pour l’étude de la mise en forme des matériaux composites à matrice polymère.

21 octobre 2013

Thermique / physico-chimie / mécanique : l’indispensable triptyque pour l’étude de la mise en forme des matériaux composites à matrice polymère.

Nicolas Boyard, CR CNRS, Laboratoire de Thermocinétique de Nantes

Mercredi 30 octobre , amphithéâtre Nougaro à 10h30


Résumé :
Les composites constituent des matériaux de choix dans de très nombreux secteurs industriels pour la fabrication de pièces aussi bien techniques / high tech (aéronautique, sport,...) que destinées à la grande diffusion (automobile, électroménager,...). Leur légèreté, leurs bonnes propriétés mécaniques, leur résistance à la fatigue et à la corrosion...sont autant d’atouts qui les rendent attractifs. La grande diversité des matrices (thermodurcissables, thermoplastiques) et des renforts (carbone, verre..., fibres courtes ou continues) permet de concevoir et de fabriquer des structures composites très variées avec des procédés de mise en forme qui ne le sont pas moins (injection, pultrusion, LCM, compression...). Le principe général de fabrication de pièces composites consiste à imprégner dans un moule un renfort fibreux par le polymère avant que ce dernier ne se solidifie (changement d’état). On devine aisément qu’une approche pluridisciplinaire impliquant les transferts de chaleur, la physico-chimie et la mécanique (des fluides et du solide) est indispensable en vue de comprendre puis maîtriser le procédé.
Les transferts thermiques sont particulièrement importants car ils sont un des seuls et principaux leviers sur lequel agir pendant le process pour maîtriser la qualité finale des pièces. Par conséquent, une description précise de ces transferts de chaleur est un point clé dans une perspective de simulation et d’optimisation du procédé. Pour y parvenir, il faut connaître précisément les propriétés thermophysiques du matériau dans les conditions les plus proches possible du procédé par une approche expérimentale et/ou de modélisation (homogénéisation). De plus, la mise en forme de ces matériaux présente deux autres caractéristiques. La première est un couplage thermocinétique fort où une source de chaleur est dégagée lors du changement d’état de la matrice. Lorsque le temps de cycle est court (cas de production en grandes séries), l’effet de l’histoire thermique sur la cinétique de transformation et les propriétés est encore plus prégnante. La seconde est un retrait dimensionnel et anisotrope non négligeable qui va induire des déformations et/ou contraintes résiduelles à quantifier et à prédire. Une mesure fine de ce retrait est donc indispensable.
Dans ce contexte très général, je me propose de présenter nos activités de recherche sur les points évoqués ci-dessus et qui sont de véritables verrous scientifiques à lever. Je m’attarderai plus précisément le développement de bancs instrumentés spécifiques pour identifier plusieurs propriétés thermophysiques et la cinétique de cristallisation de polymères semi-cristallins dans des conditions de refroidissement rapide. J’illustrerai également la problématique de la mesure de retrait de résines thermodurcissables et des composites associés couplée à la mesure des flux de chaleur échangés pendant leur mise en forme. La détermination expérimentale du tenseur de conductivité thermique de ces matériaux sera également abordée. Elle sera complétée par une approche numérique via la méthode d’homogénéisation périodique et avec laquelle il est possible de prédire précisément les champs de température et de flux de chaleur y compris sur les frontières du domaine considéré. Enfin, j’évoquerai des résultats récents qui montrent comment nous avons identifié le profil de saturation d’un renfort fibreux par un fluide à partir de mesures de flux de chaleur.

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