Note publique d'information : Les matériaux composites à matrice organique et à fibres longues occupent une place
grandissante dans des applications structurales, notamment dans les domaines de l’aéronautique
et du spatial. Ces matériaux présentent en effet un ensemble d’atouts tels qu’une
bonne résistance à la corrosion, une faible masse volumique et de bonnes propriétés
mécaniques. Néanmoins, certaines propriétés restent à améliorer comme la résistance
au délaminage, notamment critique pour des sollicitations d’impact. Le travail de
thèse est réalisé dans le cadre du projet collaboratif FUI ATIHS (Amélioration de
la Tenue des structures satellites aux Impacts Hypervitesse de débris Spatiaux). Il
porte sur l’incorporation de tapis de nanotubes de carbone verticalement alignés,
ou tapis de VACNTs (Vertically Aligned Carbon Nanotubes) dans un composite à matrice
organique à fibres longues de carbone dans l’objectif de développer un nouveau matériau
composite aux propriétés mécaniques améliorées pour des sollicitations statiques et
à l’impact. Une première partie du travail de thèse est consacrée au développement
et à la mise en œuvre du procédé d’élaboration d’un nouveau matériau composite stratifié
en plaçant des tapis de nanotubes aux interplis. Il s’agit en premier lieu de maîtriser
le transfert des tapis de VACNTs sur un pré-imprégné M55J-M18, par montée capillaire
partielle de la résine puis séparation du substrat de croissance des VACNTs. Dans
un deuxième temps, il s’agit de consolider le composite stratifié en conservant la
morphologie initiale des VACNTs et en évitant la formation de porosité. Par des observations
de l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique, le travail a permis une identification
de paramètres procédé répondant à ces objectifs et une meilleure compréhension des
mécanismes mis en jeu. Après une étape de mise au point réalisée à petite échelle,
le procédé d’élaboration du nouveau composite a été validé à une échelle permettant
d’envisager des applications structurales. Une deuxième partie du travail concerne
l’étude du comportement mécanique du nouveau matériau composite sous différents types
d’essais statiques, notamment ceux sollicitant les interfaces. La démarche est basée
sur une comparaison avec le matériau de référence non renforcé. Elle couple des analyses
des résultats d’essais mécaniques et d’observations microstructurales à différentes
échelles. Elle permet à nouveau une meilleure compréhension des mécanismes d’endommagement.
Des déplacements des zones d’endommagement ont été constatés du fait de l’introduction
des VACNTs aux interplis, ce qui permet de dégager des perspectives pour la poursuite
du développement de composites renforcés de nanotubes de carbone.
Note publique d'information : Continuous Fibre Reinforced Polymer Composites are increasingly used in structural
applications, particularly in the fields of aeronautics and space. These materials
indeed have several advantages such as good corrosion resistance, low density, and
good mechanical properties. However, certain properties remain to be improved, such
as resistance to delamination, particularly critical for impact resistance. The PhD
work is carried out within the framework of the collaborative project FUI ATIHS aimed
at the improvement of the resistance of satellite structures to hypervelocity impacts
from space debris. It concerns the incorporation of VACNTs (Vertically Aligned Carbon
Nanotubes) mats within an organic matrix composite with long carbon fibers with the
aim of developing a new composite material with improved mechanical properties for
static and impact loads. A first part of the work is devoted to the development and
implementation of the process for the manufacture of a new laminated composite material
by placing mats of nanotubes at the inter-plies. The first step is to control the
transfer of the VACNTs mats onto M55J-M18 prepreg, by regulating through time, temperature
and pressure control the capillary rise of the resin and then separating the VACNTs
from its growth substrate. The second step is to consolidate the laminated composite
while maintaining the initial morphology of the VACNTs and avoiding the formation
of porosity. Through observations from the microscopic to the macroscopic scales,
the work has enabled the identification of process parameters meeting these objectives
and a better understanding of the mechanisms involved. After a development stage carried
out at small scale, the process for developing the new composite has been validated
on a larger scale allowing structural applications to be considered. A second part
of the work consists in the study of the mechanical behavior of the new composite
material under different types of static tests, in particular those stressing the
plies interfaces. The approach is based on a comparison with the unreinforced reference
material. It combines analyzes of mechanical test results and microstructural observations
at different scales. It again permitted a better understanding of the damage mechanisms
at the inter-plies of laminated composites. Shifts in damage zones have been observed
due to the introduction of VACNTs to the inter-folds, which opens up prospects for
the further development of carbon nanotube-reinforced composites with improved performances.