Compréhension et modélisation de phénomènes thermocinétiques et thermomécaniques dans les procédés de mise en œuvre

Les activités de recherche sur les Matériaux et les Procédés portent sur la caractérisation et la modélisation :

  • - des cinétiques de polymérisation des matrices organiques (thermodurcissables et thermoplastiques) et inorganiques ;
  • - des cinétiques de dégradation et comportement thermomécanique des matrices, des renforts et de l’interface fibre-matrice (ensimage), ainsi que leurs impacts sur les propriétés des matériaux ;
  • - la cristallisation des polymères thermoplastiques (morphologie et cinétique) et l’influence des renforts et charges sur la cristallisation.

Ces travaux de recherche ont pour but d’améliorer la compréhension des phénomènes physico-chimiques gouvernant la mise en œuvre des composites afin d’optimiser les conditions de polymérisation/cristallisation des matrices lors de la fabrication et de la mise en œuvre des pré-imprégnés et des composites. Ces travaux se focalisent essentiellement sur les matrices aéronautiques hautes performances, telles que les résines époxy de classe 180, les matrices thermostables PEEK et PPS, les résines cyanate-ester et céramiques.

Quelques problématiques récemment étudiées...

Etude et modélisation de la synthèse du polyamide 6 pour la mise en œuvre de composites thermoplastiques par voie liquide réactive

Travaux de thèse de Céline Vicard soutenus le 10 janvier 2018

L'utilisation de procédés de type voie liquide (RTM, LRI) pour l'élaboration de composites thermoplastiques est une des voies prometteuses pour pallier les limitations liées à la haute viscosité des polymères thermoplastiques.Pour cela, la matrice est obtenue par polymérisation in situ de son monomère de faible viscosité après l'imprégnation du renfort fibreux. Cette étude s'est focalisée sur le polyamide 6 (PA6) obtenu par polymérisation anionique par ouverture de cycle de l'ε-caprolactame. La particularité de cette synthèse réside dans le couplage entre la polymérisation des chaînes et leur cristallisation, qui sont des phénomènes tous deux thermodépendants, exothermiques et régissant la viscosité du milieu réactif. La caractérisation cinétique par DSC de ce couplage a permis une meilleure compréhension de l'interaction des phénomènes, en révélant notamment une cinétique de cristallisation particulière à basse température.

Cette base de données, complétée par l'étude des propriétés physico-chimiques du PA6 synthétisé, a permis d'alimenter la modélisation des phénomènes. Un nouveau couplage a ainsi été proposé pour rendre compte de la dépendance de la cristallisation à la cinétique de polymérisation et a permis d'éditer des diagrammes Temps-Température-Transformation (TTT) de la synthèse du PA6. En vue de la mise en œuvre de composites thermoplastiques, la simulation du couplage thermocinétique avec un terme source a été réalisée afin de mesurer l'impact de ces phénomènes exothermiques sur les gradients thermiques et cinétiques dans l'épaisseur d'une pièce. Les cinétiques ont de plus été étudiées en présence de fibres de verre et en rhéologie. La présence de fibres engendre un ralentissement de la cinétique de synthèse et le comportement rhéocinétique révèle l'existence d'un point de gel. Ces observations restent à considérer pour simuler l'écoulement du système réactif dans un renfort.

Température des pics de polymérisation, cristallisation et fusion identifiés par calorimétrie différentielle lors de la synthèse de polyamide 6 en condition dynamique

Diagramme Temps-Température-Transformation (polymérisation et cristallisation) de la synthèse isotherme du polyamide 6