Academic literature on the topic 'Composites à Matrice Organique (CMO)'

A chemical approach to the formation of columnar defects involving the growth and incorporation of MgO nanorods into high temperature superconductors (HTS's) has been developed. MgO nanorods were incorporated into Bi2Sr2CaCu2Oz, Bi2Sr2Ca2Cu3Oz, and Tl2Ba2Ca2Cu3Oz superconductors at areal densities up to 2 × 1010/cm2. Microstructural analyses of the composites demonstrate that the MgO nanorods create a columnar defect structure in the HTS matrices, form a compositionally sharp interface with the matrix, and self-organize into orientations perpendicular and parallel to the copper oxide planes. Measurements of the critical current density demonstrate significant enhancements in the MgO nanorod/HTS composites at elevated temperatures and magnetic fields compared with reference samples.

Les matériaux composites à matrice organique sont largement utilisés dans l'industrie des transports et notamment dans le domaine aéronautique. Pour permettre un dimensionnement optimal des structures, il est nécessaire d'étudier le comportement des matériaux CMO sur une large gamme de vitesses et de températures.L'objectif de cette thèse est de proposer un modèle de comportement et de rupture permettant de prédire la réponse des CMO sur une large gamme de vitesses de sollicitation et de températures. Les recherches se sont intéressées dans un premier temps à la caractérisation de la transition entre les régimes de comportement linéaire et non linéaire du matériau unidirectionnel T700GC/M21 (renforts de fibres de carbone, résine époxy), ainsi qu'à la dépendance de cette transition à la vitesse de sollicitation et à la température. Les travaux se sont ensuite focalisés sur l'étude expérimentale du régime de comportement non linéaire endommageable du T700GC/M21. Enfin, au terme de ces deux étapes, une version améliorée du modèle disponible à l'ONERA pour les composites stratifiés (OPFM) a été proposée, version intégrant un critère de transition linéaire/non linéaire de comportement, et une prise en compte de l'influence de la vitesse de sollicitation et de la température sur la réponse du matériau
Nowadays, organic matrix composite materials are widely used in the transportation industry, and particularly in the aeronautical industry. To provide an optimal dimensioning of the structures, it is necessary to study the mechanical behavior of OMC on a large range of strain rates and temperatures. The aim of this PhD thesis is to propose a behavior and a rupture model to predict the mechanical response of OMC for a large range of strain rates and temperatures. The research was initially focused on the characterization of the transition between the linear and nonlinear behavior of the material T700GC/M21, a carbon / epoxy unidirectional laminate as well as the strain rate and temperature dependencies of this transition. The work was then focused on the experimental study of the nonlinear damaged behavior of the T700GC/M21. Finally, completing these first two steps, an updated version of the behavior model available at ONERA (OPFM) was proposed which includes the transition between linear and nonlinear behavior and the influence of strain rate and temperature on the mechanical response of the material

Les matériaux composites à matrice organique sont de plus en plus utilisés par l'industrie des transports pour la réalisation d'éléments structuraux. Afin de permettre un dimensionnement optimal de ces structures, il est nécessaire d'améliorer la compréhension et la modélisation du comportement de ces matériaux sur une large gamme de vitesses de sollicitation et de températures d'environnement. Pour cela, plusieurs campagnes expérimentales ont été réalisées sur le T700GC/M21, un composite stratifié à matrice organique, dans le cadre de ces travaux. Tout d'abord, des essais dynamiques sur un vérin hydraulique, ainsi que des essais de fluage, ont été menés afin de caractériser la dépendance à la vitesse du comportement de ce matériau. Ensuite, la dépendance à la température a été mise en évidence à l'aide d'essais à basse température sur vérin hydraulique, complétés d'essais DMA.Les résultats de ces essais ont été utilisés afin de justifier physiquement le développement d'un modèle visco-élastique bi-spectral pour la description de la dépendance à la vitesse du T700GC/M21 sur une large gamme de vitesses de déformation. L'influence de la température d'environnement sur le comportement a quant à elle été introduite à l'aide d'une loi d'Arrhénius. Ce modèle thermo-visco-élastique permet finalement de rendre compte du comportement du stratifié T700GC/M21 sur une large gamme de vitesses et de températures

Ce travail novateur étudie l'intérêt d'intégrer des transducteurs piézoélectriques (à base céramique et/ou polymère) au sein de matériaux composites à matrice organique (CMO) pour effectuer une surveillance en temps réel et in-situ de leur processus de fabrication (Process Monitoring PM) ainsi que de leur vie en service (Structural Health Monitoring SHM). Pour ce faire, les transducteurs piézoélectriques ont été intégrés au cœur des empilements fibreux suivant une méthodologie innovante développée au sein de l’équipe de recherche « Matériaux et Surfaces » du laboratoire Roberval. Le système de fabrication par infusion de résine liquide (LRI) utilisé (campagne en PM) ainsi que les échantillons résultants testés mécaniquement (campagne en SHM) ont été multi-instrumentés à l'aide de plusieurs dispositifs de Contrôle Non Destructif (CND : Emission Acoustique (EA), Thermographie Infrarouge (TIR), Corrélation d’Images Numériques (CIN), etc.) afin d’établir des couplages multi-physiques entre les signaux des techniques CND externes et la signature interne (capacité électrique) provenant des transducteurs intégrés au cœur de la matière. En PM, la sensibilité des transducteurs piézocéramiques (PZT) aux diverses étapes clés du processus LRI (passage du front, imprégnation, arrêt de l’injection, transitions physico-chimiques de réticulation et taux de consolidation) réalisé à divers taux de durcisseur ainsi que leur aptitude à la détection de défauts de fabrication ont montré un fort potentiel digne d’une future utilisation à l’échelle industrielle. En SHM, après une vérification de la non-intrusivité des transducteurs à base céramique et polymère intégrés au cœur des échantillons de tests mécaniques, les transducteurs polymères ont permis une évaluation en temps réel de l’état triaxial de déformation et de la perte de rigidité subis par le CMO hôte durant son chargement mécanique. En revanche, malgré un seuil de non fonctionnement (NWT) lié à la fragilité de leur matériau constitutif, les transducteurs piézocéramiques ont montré une forte sensibilité à la détection et au suivi de l’endommagement en temps réel dès lors qu’ils sont positionnésintelligemment vis-à-vis de la sollicitation mécanique. Ces travaux de thèse se sont achevés sur une première tentative visant à transposer les connaissances acquises en PM et SHM des transducteurs piézoélectriques in-situ d'une échelle 2D « laboratoire » à une échelle structurelle 3D plus proche des réalités industrielles. La fabrication multi-instrumentée d’une structure CMO de type raidisseur « Omega » intégrant 14 transducteurs piézoélectriques (PZT ou copolymère P(VDF-TrFE)) et renforcée en épaisseur par un fil en carbone a permis de confirmer les aptitudes PM du PZT précédemment mises en évidence, et a montré une différence entre la manière dont les signaux de capacité électrique du PZT et des copolymères réagissent à l'ensemble du processus de fabrication
This innovative work studies the interest of integrating piezoelectric transducers (ceramic and/or polymer-based) within Polymer- Matrix Composite materials (PMC) to perform real-time and in-situ monitoring of their manufacturing process (Process Monitoring PM) as well as their lifespan (Structural Health Monitoring SHM). To do this, the piezoelectric transducers were integrated into the heart of the fibrous stacks using an innovative methodology developed within the "Materials and Surfaces" research team at the Roberval laboratory. The Liquid Resin Infusion (LRI) manufacturing system used (PM campaign), as well as the resulting samples tested mechanically (SHM campaign), were multi-instrumented using several Non-Destructive Testing devices (NDT: Acoustic Emission (AE), Infrared Thermography (IRT), Digital Image Correlation (DIC), etc.) in order to establish multi-physical couplings between the signals of external NDT techniques and the internal signature (electrical capacitance) coming from the transducers integrated into the heart of the material. In PM, the piezoceramic (PZT) transducers were found to be sensitive to the various key steps of the LRI process (flow front passing, impregnation, end of injection, chemo-physical transitions during curing and associated consolidation rates) achieved at different hardener rates, and able to detect manufacturing defects. These results showed great potential, worthy of future use on an industrial scale. In SHM, after verification of the non-intrusiveness of the ceramic and polymer-based transducers integrated into the heart of the mechanical test specimens, the polymer transducers allowed a real-time evaluation of the triaxial strain state and the rigidity loss experienced by the host PMC during its mechanical loading. However, despite a Non-Working Threshold (NWT) linked to the brittleness of their constitutive material, the piezoceramic transducers have shown a high sensitivity to the detection and monitoring of damage in real-time when they are positioned intelligently with respect to the mechanical stress. These thesis works ended with a first attempt aimed at transposing the knowledge acquired on PM and SHM of in-situ piezoelectric transducers from a 2D “laboratory” scale to a 3D structural one closer to industrial realities. The multi-instrumented manufacturing of an “Omega” stiffener PMC structure integrating 14 piezoelectric transducers (PZT and P(VDF-TrFE) copolymer) and reinforced through-the-thickness by a carbon tuft thread allowed confirming the previously evidenced PM abilities of the PZT, and showed a difference between how the electrical capacitance signals of PZT and copolymers react to the whole manufacturing process

L'objectif de cette étude est de réaliser un dépôt conducteur par projection plasma sous air sur un composite carbone/epoxy et de contribuer à l'étude du nouveau matériau obtenu. La nature du procédé ainsi que celle du substrat nous ont amené à étudier plus particulièrement les échanges thermiques entre la torche et le composite. Des mesures ont ainsi été faites à l'aide d'un système de mesure entièrement conçu et développé pour cette application. La formation d'un dépôt continu nécessite une préparation de surface adaptée. La solution retenue consiste en l'adjonction d'une sous-couche thermoplastique compatible à la fois avec le métal projeté et le composite. Cela permet d'obtenir rapidement un dépôt continu, limitant ainsi le risque d'échauffement critique du composite. Le mécanisme de construction et de refroidissement du dépôt est alors analysé et explicite, ce qui permet de mieux cerner les conditions optimales d'obtention d'un tel dépôt et l'importance des divers paramètres. L’étude plus particulière d'une couche obtenue à l'aide d'une poudre de cuivre montre que, bien qu'il se forme de la cuprite lors de la projection, le dépôt reste principalement métallique et garde donc de bonnes propriétés de conducteur électrique. Enfin, l'impact du procédé sur les propriétés mécaniques du composite est discuté à l'aide d'essais de flexion et d'observations microscopiques.

La dispersion de particules conductrices dans une matrice organique isolante confère au composite une conductivité électrique qui augmente avec la fraction volumique f des particules au-dessus d'un seuil critique fc. Il s'agit d'une transition isolant/conducteur pouvant être décrite par la théorie de la percolation. Lorsque ces composites sont chauffés au-delà d'une température TCTP, une diminution significative de la conductivité est observée. Cet effet, connu sous le nom «effet CTP» (Coefficient de Température Positif, en termes de résistivité), est utilisé dans de nombreuses applications et, notamment en électrotechnique, comme limiteur de courant. Bien que l'étude de ces mélanges noir de carbone/matrice organique, ait déjà fait l'objet de nombreux travaux, l'origine et le mécanisme de la conduction électrique, d'une part, celui de l'effet CTP, d'autre part, restent controversés. Ce fait peut s'expliquer par le grand nombre de paramètres qui influencent les propriétés électriques de ces systèmes désordonnés. Le but de ce travail est d'étudier ces mécanismes dans le cas de composites dont les caractéristiques physico-chimiques et la morphologie à différentes échelles de longueur sont obtenues par une série de méthodes indépendantes et peuvent être reliées aux propriétés électriques. Le travail expérimental et l'analyse théorique des résultats à l'aide de modèles adaptés aux systèmes hétérogènes désordonnés, ont permis d'obtenir une série d'informations importantes et nouvelles concernant les propriétés électriques de ces composites. La première concerne le comportement différent de certains composites pouvant être attribué à l'interpénétration des agrégats mise en évidence par diffusion centrale de rayons X et résultant soit du mode de préparation, soit de la nature de la matrice. La seconde concerne le mécanisme de l'effet CTP pour lequel les mesures de conductivité dynamiques ont permis, pour la première fois, une description qualitative, précise et complète.

La difficulte de metalliser les materiaux composites est multiple : heterogeneite du systeme renfort-resine, multiplicite des systemes et des parametres de fabrication, respect de l'integrite du substrat pour les composites de structures. En deposant une interphase metallisable, une partie du probleme est eliminee. Pour l'etude, deux types de composites (verre et carbone/epoxy) et d'interphases (film et poudre de nature epoxyde) ont ete retenus. L'electrolyte utilise est alcalin et a base de permanganate de potassium. Les conditions de decapage sont determinees de facon a ce que l'interphase mise en place protege le substrat composite et que l'adherence d'un revetement de cuivre soit de classe 0 au test de scarification. L'objectif majeur de ce travail a ete de comprendre le role du decapage permanganate sur les deux interphases, tant du point de vue chimique que geometrique, sur l'adherence d'un revetement metallique mesuree par pelage. Du point de vue chimique, des analyses de surface (xps et ir-atr) mettent en evidence la mise a nu des charges minerales incorporees aux interphases. Les oxydations de la chaine carbonee du film et de la poudre sont susceptibles de former des liaisons chimiques entre le revetement de cuivre et le polymere. La mouillabilite des interphases est affecte par la presence de ces charges minerales. La technique de mise en place du film sur le composite influe egalement sur la mesure de l'angle de raccordement (sur echantillon non decape). Du point de vue mecanique, des mesures de resistance au pelage d'un depot de cuivre sont correlees a des criteres caracteristiques de l'amplitude verticale moyenne de la rugosite (r#z) et de sa morphologique (s#k,e#k). L'outil metrologique consiste en une technique de mesure tridimensionnelle d'etat de surface couplee a une localisation precise d'une meme zone tout au long du decapage afin de suivre l'evolution micro-geometrique des deux interphases.

La présente étude s'inscrit dans le cadre de l'analyse de la durabilité de systèmes composites à matrice polymérique sous l'effet d'environnement hygrothermique. Son objectif est d'apporter une contribution à la compréhension et à la prévision du comportement mécanique des composites en fonction du vieillissement hygrothermique. La première partie de ce travail concerne l'étude de l'absorption d'eau par les matériaux composites. Elle débute par une mise en évidence du processus d'absorption d'eau par des mesures réalisées sur une longue durée. Une discussion sur les mécanismes de l'absorption est menée afin de mieux comprendre la variation physico-chimique et la dégradation mécanique des matériaux. Une analyse statistique est effectuée sur les mesures expérimentales. Elle conduit à une proposition d'un modèle de Fick modifié en intégrant certains paramètres statistiques permettant de décrire les processus d'absorption. La seconde partie est consacrée a la modélisation du comportement mécanique des composites vieillis sous environnement hygrothermique. Une approche expérimentale est d'abord utilisée, à partir d'essais mécaniques, pour obtenir les caractéristiques élastiques, les contraintes ultimes et la ténacité de différents composites non vieillis et vieillis, données nécessaires pour décrire la dégradation des matériaux. Ensuite, après avoir identifié le paramètre hygrothermique dominant dans la variation du comportement mécanique - contenu de l'eau absorbée M, nous avons établi les relations empiriques entre ce dernier et les caractéristiques mécaniques des stratifiés étudiés. En conclusion, une approche analytique permet de prévoir la degradation d'un stratifié multidirectionnel à partir des caractéristiques des plis élémentaires, cette prévision ayant été vérifiée par des résultats expérimentaux.

Le sujet de la these porte sur la qualification en sollicitations statiques et dynamiques d'eprouvettes ayant subi des usinages de parachevement. Ici nous traitons des procedes de mise en forme par enlevement de matiere les plus employes industriellement pour les materiaux composites a matrice organique: le percage et le fraisage. La qualification des surfaces usinees est faites par l'etude de criteres de qualite, ou de reference (criteres metrologiques et d'endommagement), qui leur sont associes. Chacun des criteres est etudie en fonction des facteurs definissant l'operation d'usinage: matiere usinee, outil, parametres de coupe, gamme d'usinage. Enfin, nous definissons le niveau de qualite de l'usinage, par son influence sur le comportement mecanique du materiau sous sollicitations statiques et dynamiques, en fonction des criteres de reference, et dans le contexte de l'assurance qualite

L'objectif de cette thèse est de modéliser et d'identifier le comportement intérieur des matériaux composites tisses taffetas, serge, satin et hybride, en fonction du comportement de ses constituants de base. La difficulté majeure réside dans la complexité géométrique du composite tissu. L'originalité de ce travail est d'avoir introduit la notion délicate de l'interphase qui fait tant défaut a de nombreuses approches. Cette entité désormais non nulle est structuree en un matériau multicouche compose d'anneaux isotropes. En se basant sur le modèle développe par theocaris, une variation continue est supposée pour les modules dans une zone annulaire autour de la fibre. Un élément fini solide a été développe pour la formulation de l'interphase. Cet élément introduit dans un code d'éléments finis ayant un bloc d'homogénéisation a donne d'excellents résultats quant au comportement élastique d'une mèche verre/époxyde. Au delà du comportement de la mèche, ce travail est étendue a la modélisation analytique (2d) et numérique (3d) du comportement élastique des matériaux composites tisses en intégrant la particularité de la microstructure. Le modèle analytique utilisant la théorie de la stratification et les paramètres de la microstructure ondulée des tissus a cerne, de façon efficace, le rôle joue par le décalage des motifs entre les tissus lors de l'empilement. Cette influence, ayant une incidence directe sur les performances locales du composite tisse, interpelle les utilisateurs et les techniciens de la mise en oeuvre. La modélisation numérique utilise le développement asymptotique pour les milieux périodiques. Au delà des composites a renforts de types taffetas, le serge de 2 et le satin de 5 ont exige une définition d'un v. E. R. Avec un problème de périodicité hors axes. Cette modélisation tridimensionnelle est utilisée pour avoir une réflexion sur l'influence des paramètres tels que les caractéristiques mécaniques de chaque constituant, la largeur d'une mèche, l'écartement entre mèches, l'épaisseur de résine entre couches et le taux de fibres volumique dans les mèches sur les constantes élastiques. La partie liée à l'analyse des contraintes locales a permis d'appliquer des critères de rupture de type von-mises pour la résine et tsai 3d pour les mèches

Ce travail met en place les outils experimentaux necessaires a l'etude de la propagation du delaminage dans les materiaux composites stratifies. L'etude est realisee sur un materiau thermodurcissable renforce par des fibres de carbone t300/914 sous sollicitations de modes purs, i et ii, et de combinaisons mixtes (i/ii). Les effets les plus penalisants sur les valeurs des taux de restitution d'energie sont pris en compte : interface de propagation, etat (neuf ou vieilli en atmosphere humide) et temperatures correspondant au niveau auxquels les materiaux aeronautiques peuvent etre soumis (55\c, ambiante, + 70\c). Les tests dcb et enf, respectivement de mode i et ii, et le test mixte mmb permettent cette etude. La mise au point et l'adaptation de systemes d'essais, les methodologies developpees sont presentees, de meme que les methodes d'analyses et de depouillement. L'etude a fait apparaitre une interface de propagation critique pour le materiau qui est utilise dans toute l'etude. L'etat du materiau et la temperature ont egalement une influence sur le comportement du delaminage. Les lieux de propagation du delaminage sont differents suivant l'etat du materiau. Deux criteres de non-propagation sont determines pour les cas des chargements quasi-statique et cyclique. Ils prennent en compte les parametres critiques determines precedemment. Trois partitions modales sont considerees (75%, 50%, 25% de mode i) pour les chargements quasi-statiques, mais seulement une (50% de mode i) pour les essais de sollicitations cycliques. Ces derniers essais ont montre l'existence d'un seuil de non-propagation en mode ii et mixte (i+ii), mais ce seuil n'a pas ete mis en evidence pour le mode i. Il est cependant possible d'etablir un critere de non-propagation sous chargement quasi-statique et cyclique prenant en compte les effets de l'environnement les plus penalisant.