Academic literature on the topic 'Composites à fibres de carbone – Environnement'

Dans de nombreux secteurs industriels, les matériaux composites tissés à fibres de carbone et matrices thermoplastiques semblent être une alternative prometteuse aux matériaux métalliques pour alléger les structures. Les matrices composites thermoplastiques ont un coût plus adapté à la fabrication de pièces composites avec de grandes cadences. Les assemblages de structures peuvent être des jonctions mécaniques à base de rivets, de vis ou de boulons. Dans cette étude, nous proposons de développer une approche expérimentale et numérique pour identifier les souplesses hors plan des constituants élémentaires d’un assemblage boulonné. Il n’y a actuellement aucune règle de conception pour prédire la rupture des liaisons boulonnées constituées de substrats composites thermoplastiques. Par conséquent, une étude expérimentale d’une liaison boulonnée utilisant la technique de corrélation d’images est présentée. Simultanément, des modèles éléments finis tridimensionnels d’assemblages associés à une approche d’équivalence en énergie ont été développés afin de déterminer la souplesse des éléments de l’assemblage. Ces modèles éléments finis ont ensuite été comparés avec succès à des résultats expérimentaux.

Depuis plusieurs dizaines d’années, les matériaux composites à fibres de carbone ont grignoté une proportion de plus en plus importante dans les structures aéronautiques, grâce à leurs propriétés mécaniques et de leur faible densité. Les critères de sécurité associés à ce type de transport exigent un contrôle à 100% quasi-systématique en fabrication. Parmi les méthodes CND, les ultrasons restent la méthode la plus couramment utilisée, car ils permettent de détecter les défauts francs, estimer le taux de porosité et mesurer des épaisseurs (en réflexion). TESTIA & ACTEMIUM ont conjugué leurs expertises pour définir, assembler, mettre au point et livrer des machines robotisées d’inspection ultrasonore dédiées à ces matériaux. Quatre exemples différents illustrent nos réalisations conjointes. Le premier concerne le contrôle de demi-produits, à savoir des plaques monolithiques, destinées à la découpe et au formage de petits composants raidisseurs. Le deuxième se rapporte à celui des pièces élémentaires d’aéronefs, monolithiques et sandwich, de dimensions variées. Le troisième est lié à l’examen de pales de moteurs à hélices, dont la structure est particulièrement complexe. Enfin le quatrième a été défini pour balayer des panneaux de fuselage auto-raidis de plus de 10m². Si toutes ces machines ont été bâties sur des composants standards, leur intégration a bien évidemment été effectuée en tenant compte des exigences et des contraintes de nos clients, tels que les critères de détection, la cadence et les flux de production, la surface au sol disponible, etc. Bien souvent, des outillages spécifiques ont été développés. Les trajectoires ont été définies soit en apprentissage, soit en programmation hors ligne. Plusieurs effecteurs ont été conçus pour inspecter les pièces tantôt en immersion complète, tantôt en immersion locale, tantôt en transmission jets d’eau. Des logiciels de supervision et des séquenceurs calqués sur le ‘process’ ont toujours été élaborés pour gérer l’acquisition automatique de données 2D ou 3D, C-scan ou A-scan ou mulipics, et assister les opérateurs dans leurs analyses. Au gré des projets passés, TESTIA & ACTEMIUM se sont forgés un savoir-faire permettant d’aborder de très nombreuses applications, grâce à la complémentarité de leurs compétences : TESTIA dans le CND et ACTEMIUM dans l’intégration de procédés robotisés. Ce savoir-faire pourrait se décliner également sur des pièces métalliques, en dehors de l’aéronautique.

Depuis leur industrialisation, la production de composites en fibres de carbone augmente de façon continue. Lors du recyclage des composites à fibres de carbone, seules les fibres seront recyclées. La « suppression » de la matrice est réalisée par pyrolyse, solvolyse ou vapo-thermolyse, procédés qui n’entraînent que peu de dégradation des fibres. Afin de susciter une demande pour les fibres de carbone recyclées, il faut donner de la valeur ajoutée aux fibres recyclées en démontrant la faisabilité de fabriquer des pièces composites (fibre recyclée+matrice) de haute qualité.Les architectures de fibres recyclées semi longues avec un très bon alignement ont été produites par la technologie de réalignement brevetée du laboratoire qui permet d’assurer une exploitation optimale des propriétés des fibres de carbone recyclées. Dans le but de maîtriser et d’optimiser les propriétés du nouveau composite (à fibres discontinues), les mécanismes de transfert de charge entre fibres ont été étudiés, et les propriétés utiles de la matrice ont été identifiées. Une attention particulière a été portée au calcul de la longueur de transfert de charge entre deux fibres discontinues en fonction des propriétés de l'interface fibre recyclée / matrice thermoplastique. En effet, notre objectif est non seulement de rechercher des solutions optimales en termes de résistance mais aussi des solutions qui permettent de limiter l’impact environnemental, d’où notre choix des matrices thermoplastiques (y compris recyclées) pour cette étude.Tous les résultats des simulations numériques ont été validés par comparaison avec des résultats expérimentaux. De plus des composites fibres de carbone recyclées/matrice thermoplastique (PA6 et PC) ont été mis en œuvre et testés. Ces matériaux présentent des taux de fibres supérieurs à 50% et offrent de meilleures propriétés mécaniques que les mêmes matériaux avec matrice epoxy.Une analyse environnementale a été propsée sur l’exemple d’une pale d’éolienne portative en comparant les impacts de la matière première, de la fabrication et de la fin de vie d’une pièce réalisée avec différents matériaux (alliage léger, composite fibres de verre, composites à fibres recyclées). Cela démontre l’intérêt des fibres de carbone recyclées associées à une matrice thermoplastique recyclée, pour minimiser l’impact environnemental tout en maximisant les performances mécaniques
Since their industrialization, the production of carbon fiber composites is continuously increasing. When recycling carbon fiber composites, only the fibers are recycled. The matrix is "removed" by pyrolysis, solvolysis or vapour-thermolysis, processes that cause little degradation of the fibres. In order to create a demand for recycled carbon fibers, it is necessary to add value to recycled fibers by demonstrating the feasibility of manufacturing high quality composite parts (recycled fiber + matrix).Semi-long recycled fiber architectures with very good alignment were produced by the laboratory's patented realignment technology that ensures optimal exploitation of recycled carbon fiber properties. In order to control and optimize the properties of the new composite (staple fiber), the mechanisms of load transfer between fibers were studied, and the useful properties of the matrix were identified. Particular attention has been paid to the calculation of the load transfer length between two staple fibers as a function of the properties of the recycled fiber/thermoplastic matrix interface. Indeed, our objective is not only to find optimal solutions in terms of strength but also solutions that allow to limit the environmental impact, hence our choice of thermoplastic matrices (including recycled) for this study.All the results of the numerical simulations were validated by comparison with experimental results. In addition, recycled carbon fiber/thermoplastic matrix composites (PA6 and PC) were implemented and tested. These materials have fiber contents higher than 50% and offer better mechanical properties than the same materials with epoxy matrix.An environmental analysis was performed on the example of a portable wind turbine blade by comparing the impacts of the raw material, manufacturing and end of life of a part made with different materials (light alloy, glass fiber composite, recycled fiber composites). This demonstrates the interest of recycled carbon fibers associated with a recycled thermoplastic matrix, to minimize the environmental impact while maximizing mechanical performance

Au cours de leurs missions, les véhicules spatiaux évoluent dans une ambiance très complexe dont les multiples composantes sont nocives pour les matériaux employés. Lorsqu’ils sont confrontés à une ambiance spatiale prolongée, les composites organiques subissent une dégradation qui n'est pas uniforme dans l'épaisseur. Dans ce contexte, ils peuvent devenir dissymétriques. Nous nous sommes attachés à provoquer expérimentalement cette dissymétrie sur trois composites multicouche carbone/époxy, puis à étudier son effet sur les propriétés de ces matériaux. Après avoir élaboré les plaques de composite à partir de préimprégnés, nous avons exposé des éprouvettes issues de ces plaques à l'environnement spatial simulé en laboratoire. Les conditions de simulation choisies, cyclage thermique combiné avec irradiation électronique ou bombardement par les atomes d'oxygène, sont respectivement représentatives de l'environnement géostationnaire et d'un environnement en orbite basse. L’utilisation de méthodes de caractérisation ex-situ, nous permet de suivre l'évolution des composites testés en fonction du type et de l'ampleur du vieillissement. Les résultats obtenus montrent que l'action en synergie des électrons et du cyclage thermique provoque une dégradation de la matrice qui porte préjudice aux propriétés des composites. Elle se manifeste par une modification de la structure du réseau moléculaire (coupures de chaînes et réticulations) et par l'apparition ou la multiplication de microfissures. L’impact à grande vitesse des atomes d'oxygène, conduit à une érosion rapide de la surface des composites. Pour une exposition de longue durée en orbite basse, la dissymétrie ainsi occasionnée est à l'origine d'une réduction très importante des propriétés mécaniques des composites et de la stabilité dimensionnelle de la structure.

Ces travaux de thèse portent sur la physico-chimie de l'interface fibre/matrice appliquée aux composites Carbone/Carbone. La surface des fibres de carbone est modifiée par divers traitements de surface (voie gazeuse et voie humide). L'impact de ces différents procédés sur l'état de surface des fibres a été évalué par chromatographie gazeuse en phase inverse à dilution infinie, MEB, AFM, MET, RAMAN… Suite à ces caractérisations, des traitements de surface ont été retenus pour la réalisation de composite C/C. Les propriétés notamment mécaniques des matériaux composites à interfaces modulées (force de la liaison fibre/matrice) ont pu être évaluées. Finalement, il a pu être établi une relation entre modifications de surface des fibres de carbone et comportement macroscopique des composites C/C
This work focuses on the physical chemistry of the fiber/matrix interface applied to composites carbon/carbon. The surface of carbon fibers was modified by various surface treatments. The carbon fibers surface variation was evaluated by inverse gas chromatography at infinite dilution, SEM, AFM, TEM, Raman... After these characterizations, surface treatments were selected for the realization of C/C composites. The mechanical properties of composites at modulated interfaces (fibers/matrix bonding) were evaluated. Finally, a correlation between surface modification of carbon fibers and macroscopic behavior of composite C/C was established

La plupart des composites à matrice métalliques étudiés à l'heure actuelle sont élaborés par trois technologies principales, dont le coût relativement élevé limite les domaines d'utilisation. Pour palier cet inconvénient, nous avons travaillé à mettre au point un procédé de cofilage en phase solide. L’évolution du procédé nous a permis de résoudre les problèmes d'imprégnation du renfort par la matrice. Dans le cadre de l'optimisation des étapes de fabrication, nous avons étudié l'influence des paramètres suivants sur le comportement et les mécanismes d'endommagement du matériau: longueur des fibres, orientation du renfort et fraction volumique locale. Pour cela nous avons développé une démarche de type micro-macro fondée sur la théorie d'inclusion équivalente d'Eshelby. Nous modélisons ainsi l'influence de la microstructure sur les caractéristiques élastiques, les coefficients de dilatation et la surface seuil d'écoulement. Des calculs par éléments finis sur cellules de base à trois phases complète cette approche. Nous regardons l'influence de la répartition des fibres sur le développement de la plasticité locale. Une configuration de fibres proches de leurs voisines a un rôle prépondérant sur la propagation de l'endommagement qui se produit en tête de fibre. Nous proposons un critère analytique d'initiation de cet endommagement qui prend en compte la distribution de fraction volumique locale dans le matériau. Les résultats sont comparés à des essais de traction dans l'enceinte du microscope électronique à balayage, ou nous pouvons suivre les différentes étapes du processus de rupture. L’outil analytique développé est intégré dans une démarche originale de détermination d'une statistique d'endommagement pour une structure. Nous pouvons, ainsi, donner localement la probabilité d'endommagement d'un volume de composite en fonction de l'observation de ses distributions de microstructure, et du chargement

L'objectif de l'étude est d'apporter une contribution à la compréhension des phénomènes interfaciaux qui interviennent lors de l'élaboration des matériaux composites à renfort fibreux et à matrice aluminium. Les renforts choisis pour cette étude ont été des fibres de carbone, des fibres de carbone protégées, et des fibres à base de carbure de silicium. Ces fibres sous forme de tissu ont été recouvertes d'aluminium par dépôt physique en phase vapeur. Les matériaux ainsi obtenus ont subi des traitements thermiques dans un réacteur couple à un spectromètre de masse. L'existence de réactions entre certains gaz produits par les fibres (CO, CO2) et l'aluminium lorsque la température est supérieure à 650°C a ainsi pu être mise en évidence. Ces réactions se produisent lors de la traversée du dépôt d'aluminium par les gaz issus des fibres et provoquent la formation de carbone d'aluminium. Le carbure d'aluminium est également formé par des réactions entre les espèces solides constituant les fibres et le métal. La quantité de carbure d'aluminium formé à l'interface fibre/métal lors des traitements thermiques a été déterminée par hydrolyse. Il a ainsi pu être montré que le carbure d'aluminium provient essentiellement des réactions entre les solides constituant les fibres et le métal. L'efficacité de divers recouvrements contre la formation de carbure d'aluminium a aussi été étudiée.

Pour conférer des propriétés satisfaisantes à un composite où sont unis fibres de carbone et carbure de silicium, il semble indispensable d'interposer une troisième phase : une interphase de carbone pyrolytique. L'interphase, en améliorant le comportement par un transfert de charge effectif depuis la matrice sur les fibres, n'élève pas systématiquement les niveaux de contrainte et d'allongement à la rupture. Il faut donc, à l'aide du microscope électronique par transmission, rechercher une origine à cette dispersion en étudiant la nanotexture de l'interphase. Ainsi il a été possible d'extraire trois familles de comportement mécanique. La corrélation étant mise en évidence, l'interprétation qu'elle suggère conduit à préférer une liaison pyrocarbone/matrice plutôt de faible force, une liaison trop forte induisant un comportement fragile. Enfin après avoir compris le fonctionnement d'un composite interphase, une ébauche d'étude d'élaboration de pyrocarbone sur substrat plan a examiné les relations textures/paramètres physiques (T et temps). On a pu se rendre compte de la double évolution de l'organisation de la texture qui diminuait pour une augmentation de température ou de la durée du dépôt. Ainsi, pour une loi cinétique simple, la quantité et la qualité du dépôt sont deux aspects antagonistes.

L'étude a pour objectif l'amélioration de la fiabilité des assemblages électroniques à travers la mise en œuvre de drains composites aluminium/fibres de carbone. Le travail a consisté à 1) modéliser, par la méthode des éléments finis, l'influence des propriétés thermiques et mécaniques du matériau de semelle sur l'assemblage életronique ; 2) élaborer (par frittage sous charge uniaxiale, frittage flash et extrusion à chaud) des matériaux composites aluminium/fibres de carbone ; et 3) lier les microstructures observées aux paramètres des procédés d'élaboration ainsi qu'aux propriétés thermiques et mécaniques mesurées.

Les modifications texturales de fibres de carbone ex-pan à haute ténacité et haut module obtenues par une oxydation contrôlée en phase gazeuse, dans l'oxygène dilué et le dioxyde de carbone, sont caractérisées par des études cinétiques, des déterminations de textures poreuses et d'activité chimique de surface. Ces modifications sont illustrées par des modèles concordants basés sur une réactivité de surface. L'évolution texturale et chimique, modifiant faiblement les propriétés mécaniques en traction des monofilaments, permet d'améliorer significativement les caractéristiques de cisaillement de composites élaborés à partir de résine expoxy et de fibres. On discute l'influence de la charge volumique ou massique fibreuse sur les propriétés du composite. La contribution spécifique de l'activité chimique de surface sur le phénomène d'adhésion à l'interface fibre-résine est établie et estimée. Les résultats obtenus et une étude en microscopie électronique à transmission, utilisant tous les modes d'investigation, permettent de proposer un modèle structural pour les fibres de carbone ex-pan haut module, présentant une structure lamellaire plissée tridimensionnelle très orientées, incluant une porosité, dont toutes les dimensions sont déterminées. Ce modèle illustre les caractéristiques mécaniques et texturales observées sur ce type de fibre

Le travail présenté dans ce mémoire de thèse s’est inscrit dans le cadre du développement de la technologie flamme oxyacétylénique pour la synthèse de nanotubes de carbone (NTC) au Laboratoire de Physique et Mécanique Textile. La simplicité et l’originalité de ce procédé en font un candidat très sérieux pour envisager la mise en œuvre d’un pilote industriel pour la production de fibres de renforcement multidimensionnelles, notamment composées de fibres de carbone sur lesquelles ont cru de nanotubes de carbone. Ce travail a consisté à :- Réaliser une étude bibliographique sur les procédés de croissance de NTC,- Etablir la preuve de concept de la croissance des nanotubes sur des fibres,- Concevoir et réaliser un dispositif assurant une bonne maîtrise de la croissance,- Mettre au point le procédé de croissance sur des fibres,- Identifier les principaux paramètres influençant la qualité et la quantité des nanotubes,- Caractériser les nanotubes obtenus,- Faire croître ces nanotubes sur des fibres de carbone,- Intégrer des nouveaux matériaux multidimensionnels dans des matrices afin de réaliser des matériaux composites structurels,- Caractériser ces matériaux,- Décrire les mécanismes de croissance dans la flamme.Notre effort a porté sur le traitement des fibres avant exposition à la flamme et à évaluer les conditions de croissance des NTC en faisant varier notamment, la température d’exposition des fibres et la qualité des catalyseurs de croissance. Après synthèse des NTC sur les fibres de carbone et leur caractérisation nous avons réalisé des matériaux composites. Nous avons mesuré que les NTC améliorent significativement le module d’Young des composites mais altèrent sensiblement la contrainte à la rupture. Les propriétés électriques longitudinales et transversales sont améliorées d’un facteur 8 et 5 respectivement. Nous avons proposé des mécanismes de croissance des NTC. Ces mécanismes sont directement en relation avec propriétés physiques et chimiques des particules de catalyseur
The research presented in this work aims to develop the oxyacetylene flame method for the Carbon Nanotubes (CNT) synthesis at the Laboratory of Physics and Mechanics of Textiles. The simplicity and the degree of innovation of this process make of it a serious candidate for manufacturing a pilot in order to produce new kind of tridimensional material made of CNT having grew on carbon fibres. This work consisted of:- Make a bibliographic study,- Establish a proof of concept of the growth of CNT,- Design and manufacture a device allowing process control,- Setup the process of growth on the fibres,- Identify the main parameters influencing CNT quality and quantity,- Characterize CNT,- Assume the CNT growth on carbon fibers,- Integrate these multidimensional materials into an organic matrix to realize structural composite materials,- Characterize these materials,- Describe and explain the growth mechanism in the flame.First, we focused our work on the fibres chemical treatment before flame exposition to evaluate the NTC growth conditions by varying notably, the fibres exposition temperature and the quality of the catalysts. After, the NTC syntheses on carbon fibres (CF) was done. The multidimensional product was characterized par various examinations and analyses. Composite materials were molded with epoxy resin to evaluate mechanical properties of NTC-FC. Young’s modulus was increased and tensile strength at break decreased. Transverse and longitudinal electrical properties were increased by 500 to 800 % respectively. Finally, we proposed NTC growth mechanisms. They are directly linked to the chemical and physical catalyst particles properties