Élaboration et caractérisation de composites CFRCs hybrides fonctionnalisés pour des applications innovantes

Description

Composition du jury :

M. Jean-Claude SAGOT, Professeur émérite, Université de Technologie de Belfort-Montbéliard, laboratoire ELLIADD - ERCOS, Directeur de thèse.

M. Pascal CASARI, Professeur des universités, Laboratoire GeM IUT de Saint-Nazaire, Examinateur.

Mme Caroline RICHARD, Professeur des universités, Université de Tours, Rapporteure.

Mme Karine MOUGIN, Maîtresse de conférences HDR, Institut de Science des matériaux de Mulhouse, Rapporteure.

M. Libin Lalu KOITHARA, Docteur, Lisi Automotive ingénieur recherche et développement, Examinateur.

M. Thierry BARRIERE, Professeur des universités, Institut FEMTO-ST Département Mécanique Appliquée Responsable équipe PRISM, Examinateur.

M. Essolé PADAYODI, Enseignant-chercheur, Université de Technologie de Belfort-Montbéliard, laboratoire ELLIADD - ERCOS, Co-directeur de thèse.

M. Rija Nirina RAOELISON, Maître de conférences HDR, Université de Technologie de Belfort-Montbéliard, laboratoire ICB, Co-directeur de thèse.

Résumé de la thèse :

Les besoins d'allègement de poids dans le transport principalement en vue d'une réduction des émissions des gaz à effet de serre placent les composites à renfort de fibres de carbone (CFRC) comme matériaux potentiels. La fonctionnalisation de ces matériaux leur confèrerait une valeur ajoutée et de  nouvelles perspectives d'application. La fonctionnalisation des composites CFRC implique de nombreux travaux de recherche qui se heurtent à une problématique de la décohésion du dépôt de surface en raison de la faible adhérence CFRC-dépôt, car les deux parties étant respectivement en polymère et en métal. Ce problème est un verrou scientifique. L'objectif de ce travail de thèse est alors de mettre au point une solution de fonctionnalisation de surface d'un composite CFRC par une technique de métallisation par collision à haute vitesse. Une partie des travaux effectués consiste à développer une structure composite hybride constituée d'une structure CFRC et d'une sous-couche composée d'une phase métallique et d'une phase polymère calibrée pour compatibiliser la structure CFRC et la technique de métallisation par projection à froid. Une partie de ce travail de thèse est consacrée à l'élaboration d'un système hybride CFRC/sous-couche biphasique superficielle en polymère/métal. Le procédé d'infusion sous vide a été mis en œuvre pour la polymérisation de ce système. La sous-couche biphasique consiste en u mélange de poudre micrométrique métallique avec de la résine thermodurcissable (époxy) ou thermoplastique (poly méthacrylate de méthyle) à différentes concentrations, permettant de produire des sous-couches de type TS-AI, TS-Cu, ou TP-Cu directement intégrées à la surface de la structure CFRC. Des essais de métallisation de ces sous-couches par projection à froid ont ensuite été réalisés, en utilisant le système de projection à basse pression Dymet 423. Des poudres de cuivre, d'aluminium, de zinc et d'étain sont choisies comme matériau de métallisation en raison de leur bonne conductivité électrique et thermique. Des poudres composites constituées d'un mélange métal/alumine ont aussi été considérées pour améliorer la formation de revêtement en tirant profit de l'effet de martelage produit par les particules d'alumine. Un revêtement (Sn + AI203) d'une épaisseur de 60 µm a été obtenu sur la sous-couche TS-Cu, démontrant en cela la faisabilité d'une métallisation d'une structure CFRC via la sous-couche biphasique, par projection à basse pression. Une autre partie de cette thèse porte sur une analyse phénoménologique de la réponse mécanique de la sous-couche biphasique TS en utilisant la simulation numérique. La collision à haute vitesse endommage la sous-couche à matrice thermodurcissable qui se fragmente sous l'effet de la contrainte de collision. Ce phénomène explique la difficulté de formation de revêtement sur la sous-couche à base de polymère thermodurcissable. Afin d'identifier des matériaux polymères appropriés pour une bonne tenue mécanique de la sous-couche pendant la collision à haute vitesse, une simulation sur des substrats thermoplastiques (TP et TP-Cu) a été étudiée. Les résultats montrent une pénétration des particules de Cu projetées, dans le substrat TP, en formant en cela une adhésion métal/résine par ancrage mécanique. Les particules de Cu constituant la sous-couche permettent de favoriser la déformation plastique des particules de Cu projetées, et ensuite la formation d'un revêtement. Ce constat a permis d'élaborer des essais expérimentaux de projection à froid à haute pression pour métalliser des substrats à base de matrice TP. Il en résulte une formation de revêtement pour différentes poudres (Cu sphérique, Cu dendritique, Cu + AI203). Le revêtement obtenu peut atteindre une épaisseur de 95 µm, 231 µm et 114 µm respectivement. Ces résultats démontrent bien la faisabilité d'une métallisation d'une structure CFRC via une sous-couche biphasique TP et une technique additive par projection à froid à haute pression.

Contact

Teng Zhang (Pôle ERgonomie - ELLIADD UR 4661) : teng@zhang@utbm.fr