Conclusion générale

Dans le cas du RTM, l'examen des matériaux utilisés (matrice et renfort), ...... par la méthode des insolubles afin d'établir des diagrammes TTT [SIM 92] [TEX 98].


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A ma famille
Avant-propos
Je tiens tout d'abord à remercier Messieurs les Professeurs Jean
François GERARD et Jean-Pierre PASCAULT de m'avoir accueilli au sein du
Laboratoire des Matériaux Macromoléculaires de l'Institut National des
Sciences Appliquées de Lyon, dans lequel le travail présenté dans ce
mémoire a été réalisé.
Mes remerciements vont aussi particulièrement à mes Directeurs de
Thèse, Jérôme DUPUY et Abderrahim MAAZOUZ, pour m'avoir permis de mener à
bien ce travail.
J'exprime toute ma gratitude à Messieurs Didier DELAUNAY et Michel
VINCENT , tous deux Directeurs de Recherche au CNRS, d'avoir accepté d'être
rapporteurs de cette thèse, ainsi qu'à Messieurs Gérard SEYTRE, Directeur
de Recherche CNRS, David KRANBHUEL, professeur au College of William and
Mary de Williamsburg, et Martin RAYNAUD, professeur à l'INSA de Lyon, pour
leur participation au jury.
Je remercie l'ensemble des personnes ayant collaboré aux travaux
présentés ici, et particulièrement Messieurs Jean-Marie LETOFFE, Directeur
de Recherche au CNRS et
Jean-Luc BAILLEUL, Maître de Conférence à l'IUT de Nantes.
Enfin, merci à toutes les personnes que j'ai eu le plaisir de côtoyer
au cours de ces trois années passées au laboratoire.
Sommaire
Sommaire Introduction générale 10 Première partie :
Présentation du cadre de l'étude et définition des objectifs 12 Sommaire 13 Introduction 15 Chapitre I : Présentation du procédé RTM 16 Chapitre II : Modélisation et Simulation du procédé 23 Conclusion de la première partie 42 Bibliographie de la première partie 43 Deuxième partie :
Etude de la cinétique de réaction en calorimétrie 45 Sommaire 46 Introduction 50 Chapitre I : Choix d'une méthode de caractérisation
cinétique et définition du plan de travail 51 Chapitre II : Présentation du système composite modèle utilisé 56 Chapitre III : Etude bibliographique des problèmes
liés à la caractérisation de cinétiques de réticulation
par DSC en balayage de température 63 Chapitre IV : Etude théorique en simulation
des problèmes liés à l'analyse des thermogrammes
DSC en balayage de température et de l'utilisation
de l'énergie d'activation pour l'estimation de paramètres 75 Chapitre V : Etude expérimentale de la cinétique
de réaction du monomère dicyanate ester en DSC 95 Chapitre VI : Mesures de propriétés thermophysiques 107 Chapitre VII : Etude de la réaction en macro calorimétrie 114 Conclusion de la deuxième partie 123 Bibliographie de la deuxième partie 125 Troisième partie :
Etude des écoulements et de la rhéologie 127 Sommaire 128 Introduction 130 Chapitre I :
Caractérisation expérimentale du tenseur de perméabilité 131 Chapitre II :
Etude de la rhéologie du système cyanate ester catalysé 157 Conclusion de la troisième partie 178 Bibliographie de la troisième partie 180 Conclusion générale 183 Annexes 186
Introduction générale Le procédé de Moulage par Transfert de Résine (Resin transfer
Molding : RTM) consiste à fabriquer des pièces en matériaux composites « en
injectant une résine thermodurcissable dans un moule fermé à l'intérieur
duquel un renfort fibreux a été préalablement disposé ».
Utilisé principalement dans les industries aéronautique et
automobile, il reste cependant un procédé souvent difficile à maîtriser et
dont le développement semble aujourd'hui plus que jamais dépendant des
efforts de recherche dans les domaines de la modélisation et de la
simulation.
Ainsi, depuis quelques années, des chercheurs d'horizons très
différents ont contribué à l'amélioration et l'optimisation de ce procédé :
chimistes, spécialistes des matériaux, rhéologues, mécaniciens des fluides,
thermiciens, numériciens ...
Ce travail de thèse a pour objectif principal de mettre à
contribution l'expérience du Laboratoire des Matériaux Macromoléculaires
(LMM) dans les domaines de la chimie et chimiorhéologie des réseaux
polymères thermodurcissables.
Compte tenu de la forte interdisciplinarité de cette problématique,
nous avons été amenés à collaborer avec différentes équipes de recherche,
aussi bien au sein de l'INSA de Lyon dans le cadre d'un Bonus Qualité
Recherche (BQR), qu'à l'extérieur.
Le travail est organisé en trois parties :
La première partie vise à donner un aperçu global du procédé RTM et
du savoir-faire actuel en matière de modélisation, à travers une étude de
l'importante bibliographie disponible, et ceci dans le but de définir des
pistes de travail pour le spécialiste des matériaux polymères.
La deuxième partie concerne la modélisation des cinétiques de
réticulation et a pour finalité de développer les méthodes de
caractérisation par calorimétrie. Ces dernières apparaissent en effet comme
une étape charnière entre le savoir-faire acquis en chimie des
thermodurcissables par le LMM et la modélisation du procédé RTM.
Enfin, la troisième et dernière partie regroupe les travaux réalisés
dans les domaines de la rhéologie et des écoulements. Parmi les sujets qui
y sont traités, on retiendra principalement le problème de la
caractérisation de la perméabilité des renforts, l'étude de la
chimiorhéologie et le suivi in situ des propriétés rhéologiques au cours du
procédé.
Pour chacune des parties, vous trouverez au début un sommaire
détaillé et à la fin les références bibliographiques correspondantes. Première partie : Présentation du cadre de l'étude
et définition des objectifs Sommaire
Sommaire 13 Introduction 15 Les matériaux composites et leur mise en ?uvre 15 Objectifs de la première partie 15 Chapitre I : Présentation du procédé RTM 16 1 Le procédé RTM 16
1.1 Concept d'injection sur renfort 16
1.2 Procédés industriels 16
1.3 Avantages du procédé RTM 17
1.4 Limites actuelles 18 2 Les matériaux 19
2.1 La matrice 19
2.1.1 Réaction de polymérisation 19
2.1.1.A Cas isotherme 19
2.1.1.B Cas général non isotherme 20
2.1.1.C Influence de l'histoire thermique 20
2.1.1.D Description thermodynamique 20
2.1.2 Formulation pour le procédé RTM 20
2.2 Le renfort : Un matériau complexe 21
2.2.1 Un constituant de base : Les fibres 21
2.2.2 Une géométrie multi-échelles 21
2.2.3 Des propriétés de surface 22 3 Conclusion du chapitre: Intérêt de la modélisation 22 Chapitre II : Modélisation et Simulation du procédé 23 1 Introduction : Différents phénomènes et niveaux d'approche 23
1.1 Quels objectifs pour la modélisation ? 23
1.2 Les différents phénomènes mis en jeux et leurs interactions 24 2 Etat de l'art de la modélisation 25
2.1 Ecoulements 25
2.1.1 Description qualitative de l'écoulement 25
2.1.2 Modélisation du remplissage 25
2.1.2.A Utilisation de la Loi de DARCY 25
2.1.2.B Etablissement de l'équation de l'écoulement 27
2.1.2.C Limites de validité de la loi de DARCY 27
2.1.2.D Modélisation de l'influence du flux microscopique 28
2.1.3 Modélisation de la perméabilité 28
2.1.4 Modélisation de la viscosité 29
2.1.4.A Phénomènes pris en compte 29
2.1.4.B Approche théorique de la modélisation 30
i) Viscosité initiale 30
ii) Viscosité en cours de réaction 31
2.1.4.C Modélisation pratique :Lois de comportement empiriques
31
i) Lois du type [pic] 32
ii) Lois du type [pic] 33
2.1.4.D Conclusion 34
2.2 Réaction chimique 35
2.2.1 Forme générale des modèles cinétiques utilisés 35
2.2.2 Exemples de modèles cinétiques 36
2.2.2.A Modèle de KAMAL et SOUROUR 36
2.2.2.B Modèle de BAILLEUL et al 36
2.2.3 Modélisation de la chaleur de réaction 37
2.3 Transferts Thermiques 37
2.3.1 Modélisation de la capacité calorifique et de la masse
volumique 38
2.3.1.A Capacité calorifique de la matrice 38
2.3.1.B Masse volumique de la matrice 39
2.3.2 Modélisation de la conductivité thermique 39
2.4 Couplage des modèles 40
2.4.1 Phase de réaction 40
2.4.2 Phase d'injection 40 3 Conclusion du chapitre: Application à la simulation du procédé 41 Conclusion de la première partie 42 Pistes de travail pour le spécialiste des matériaux polymères 42 Objectifs du travail expérimental 42 Bibliographie de la première partie 43 Introduction
Les matériaux composites et leur mise en ?uvre
Un matériau composite est par définition un mélange hétérogène de
matériaux de natures différentes, le but étant d'allier les propriétés de
chacun des constituants [HAW 99]. Nous nous intéressons ici au cas
particulier des matériaux composites dans lesquels un arrangement de fibres
d'un matériau résistant (le renfort) est noyé dans une matrice polymère
thermodurcie dont la résistance mécani
....