Physique des Procédés Composites
L’action de recherche physique des procédés composites se focalise sur l’ensemble des phénomènes thermo-physiques prenant place au sein des procédés d’élaboration ou de mise en forme de matériaux composites à matrice polymère. Ces travaux sont à vocation applicative et portent généralement sur des problématiques scientifiques inspirées des verrous technologiques apportés par les partenaires industriels. Les thèmes de recherche historiques sont le développement de modèles thermocinétiques adaptés aux conditions industrielles de la mise en forme, et de méthodologies pour le contrôle thermique optimal des systèmes chauffants permettant la maîtrise des distributions de propriétés des pièces composites et polymères. De plus en plus, les travaux s’orientent vers la prise en compte des couplages multiphysiques inhérents à ces problèmes de mise en forme (thermo-mécanique, chémo-rhéologie, thermo-adhésion…) et intègrent des approches multi-échelles en thermique. En parallèle aux travaux de modélisation, se développe très fortement l’axe expérimental dont l’objectif générique est de mettre au point des appareils de caractérisation multifonctionnels, permettant l’obtention simultanée de propriétés thermiques, mécaniques et cinétiques, dans des conditions représentatives des situations de mise en forme réelles.
Les chiffres clés (depuis 2020)
Focus : Banc TACOMA
Le banc TACOMA permet le soudage d’échantillons stratifiés de composites thermoplastiques sous conditions contrôlées de température et de pression. Sa conception en cuivre avec canaux de refroidissement au plus proche de l’échantillon permet d’effectuer des soudages isothermes arrêtés (par refroidissement brutal). La qualité mécanique de l’adhésion peut alors être évaluée à l’aide d’essais de double poutre encastrée . Le banc TACOMA v2 est l’aboutissement d’une dizaine d’année de développement et d’améliorations continues. Il est aujourd’hui également largement utilisé en prestation par la cellule Capacités.
![focus-physique-procedes](https://lten.cnrs.fr/wp-content/uploads/2023/10/focus-physique-procedes.jpg)
Interfaces et adhésion
La thermoadhésion de polymère et composites thermoplastiques est un phénomène physique qui intervient dans de nombreux procédés de mise en forme. La bonne prédiction de la qualité de l’adhésion est donc un prérequis primordial pour pouvoir alimenter des outils prédictifs de simulation de mise en forme.
L’adhésion est un phénomène multiphysique qui couple la thermique (température à l’interface, résistances thermiques de contact), la mécanique (pression à l’interface, écrasement de rugosités), la physico-chimie (état cristallin, diffusion de chaînes macromoléculaires). Des outils numériques et expérimentaux sont développés au LTEN afin de proposer des lois d’évolution de la qualité d’adhésion.
Le banc TACOMA permet le soudage de coupon composite sous conditions contrôlées de température et de pression. La qualité mécanique de l’adhésion peut alors être évaluée à l’aide d’essais de double poutre encastrée.
Les cinétiques d’adhésion peuvent ainsi être identifiées (figure). L’implémentation dans les codes de calculs permet alors de prédire l’adhésion pour une histoire thermo-mécanique quelconque. C’est par exemple ce qui a été fait pour le procédé de fabrication additive FFF.
Publications
- Adhesion of high performance thermoplastic composites: Development of a bench and procedure for kinetics identification
Julien Avenet , Arthur Levy , Jean-Luc Bailleul , Steven Le Corre , Jérôme Delmas Composites Part A: Applied Science and Manufacturing Année : 2020 - Experimental correlation of rheological relaxation and interface healing times in welding thermoplastic PEKK composites
Julien Avenet , Thomas A Cender , Steven Le Corre , Jean-Luc Bailleul , Arthur Lévy Composites Part A: Applied Science and Manufacturing Année : 2021 - Development of a coupled diffusion-crystallization-degradation model during welding of paek thermoplastics
Théo Baumard, Arthur Lévy , Elissa El Rassy, Nicolas Boyard, Steven Le Corre, Jean Luc Bailleul, Jérôme Bikard, Lise Trouillet-Fonti 23rd International Conference on Composite Materials (ICCM23) Année : 2023 - Methodology to assess interlayer quality in the material extrusion process: a temperature and adhesion prediction on a high performance polymer
Arthur Lepoivre, Nicolas Boyard, Arthur Lévy, Vincent Sobotka Additive Manufacturing Année : 2022
Famille des PVT
La caractérisation des propriétés thermo-physiques des polymères et composite est nécessaire pour alimenter les modèles et la compréhension des procédés de mise en œuvre. Au LTeN, nous nous attachons à caractériser ces propriétés sous conditions représentative des procédés (haute pression, cycle thermique représentatifs…).
La série des PVT (PVT-alpha, PVT-XT, PVT-HADDOC), conçus et fabriqués au LTeN vise à identifier les comportements régissant les couplages entre thermique (chaleur spécifique, exothermie), mécaniques (retraits, modules) et changement d’état (réticulation, cristallisation).
![LTEN20230306_54](https://lten.cnrs.fr/wp-content/uploads/2023/11/LTEN20230306_54-400x599.jpg)
Publications
- A new PvT device for high performance thermoplastics: Heat transfer analysis and crystallization kinetics identification
Baptiste Pignon, Xavier Tardif, Nicolas Lefevre, Vincent Sobotka, Nicolas Boyard, Didier Delaunay Polymer Testing Année 2015 - Le PvT-HADDOC : Mesure des déformations et suivi de cuisson de composites thermodurcissables durant leur mise en forme.
Mael Péron, Romain Cardinaud, Nicolas Boyard, Vincent Sobotka, Steven Le Corre Journées Nationales sur les Composites 2017
Microtomographie-RX in situ
L’instrumentation et la mesure est nécessaire afin de valider les prédictions des modèles multiphysiques associés aux procédés de mise en forme. L’instrumentation thermique mais aussi mécanique (suivi d’épaisseur, cellules de force…) au sein même des matériaux lors de leur mise en œuvre est une des spécialités du LTeN.
L’observation par micro-tomographie X des phénomènes rapides tels que la déconsolidation de stratifiés composites, peut nécessiter l’utilisation de grands instruments (synchrotron).
A l’opposé, l’instrumentation thermique fine par thermocouple et capteurs de flux est nécessaire pour comprendre et caractériser les phénomènes de chauffage rapide tels que le chauffage laser dans le procédé AFP.
Publications
- Deconsolidation of carbon fiber-reinforced PEKK laminates: 3D real-time in situ observation with synchrotron X-ray microtomography
Luc Amedewovo, Laurent Orgéas, Basile de Parscau Du Plessix, Nicolas Lefevre, Arthur Levy, Steven Le Corre Composites Part A: Applied Science and Manufacturing Année : 2023 - Experimental characterization of the thermal behavior of carbon/PEEK tapes in the laser-assisted AFP process
Violaine Le Louët, Steven Le Corre, Nicolas Boyard, Didier Delaunay , Xavier Tardif ESAFORM 2019, Mai 2019 (Vitoria-Gasteiz, Spain) - Thermal behavior of tapes in automated tape placement (ATP) process – Micro Analysis
Ketaki Mishra, Violaine Le Louët, Steven Le Corre, Nicolas Boyard, Bertrand Garnier 22nd International Conference On Composite Materials, Août 2019 (Melbourne, Australia)
La cristallisation dans des conditions extrêmes
Les matrices polymères hautes performances sont souvent semi-cristallines. Les conditions de mise en œuvre de ces polymères et leurs composites sont extrêmes : vitesse de chauffe et de refroidissement, grandes déformations et vitesses de déformation, confinement entre fibres, dégradation de la matrice… autant de conditions qui rendent la prédiction de la cristallisation difficile. Au LTeN, des moyens de caractérisation spécifiques et des outils de modélisation cinétique, généralement multiphysiques, sont développés. L’objectif est de proposer des outils de prédiction de la cristallisation applicables aux situations industrielles.
![theme3](https://lten.cnrs.fr/wp-content/uploads/2023/10/theme3.png)
Publications
- A novel approach to the study of extensional flow-induced crystallization
Juliana Amirdine, Thouaïba Htira, Nicolas Lefevre, René Fulchiron, Nathalie Mathieu, Matthieu Zinet, Christophe Sinturel, Teodor Burghelea, Nicolas Boyard Polymer Testing Année : 2021 - Effet d’une déformation extensionnelle sur la cinétique de cristallisation de polymères semi-cristallins
Juliana Amirdine, Nicolas Lefevre, Julien Aubril, Teodor Burghelea, Nicolas Boyard 27ème édition du Congrès de la Société Française de Thermique, Jun 2019 - Semianalytical models to predict the crystallization kinetics of thermoplastic fibrous composites
Audrey Durin, Nicolas Boyard, Jean-Luc Bailleul, Noëlle Billon, Jean-Loup Chenot, Jean-Marc Haudin Journal of Applied Polymer Science Année : 2017 - Cinétique de cristallisation en refroidissement rapide et sous pression de polymères thermoplastiques
Nicolas Boyard, Baptiste Pignon, Vincent Sobotka, Didier Delaunay Journal of Composite and Advanced Materials Année : 2018