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Materiaux composites à morphologie contrôlée: de la macromoplecule aux propriétés mesoscopiques – PROMORPH

PROMORPH

Matériaux composites à morphologie contrôlée : de la macromolécule aux propriétés mésoscopiques

Une modélisation multi-échelle et multi-physique pour des matériaux composites de plus en plus complexes

La recherche de matériaux composites aux propriétés améliorées conduit à développer et tester des matrices de plus en plus complexes, multiphasées à distribution hétérogène. Ces phases et distributions dépendent du procédé d’élaboration et impactent fortement les propriétés d’usage (tolérance aux dommages, ténacité, rupture …). La complexité des phénomènes à toutes les échelles ainsi que leurs interactions font que la compréhension et la maîtrise de cette chaîne ne peut se faire que par des modélisations multi-physiques validées pour être à même de prévoir les morphologies liées à un procédé, comprendre et maîtriser le lien entre ces morphologies et les réseaux de fissure susceptibles de se développer. La finalité principale du projet est l’établissement des relations structure/morphologie/propriétés pour les matériaux composites à matrice organique. L’état des connaissances précédant le projet ne permettait pas une telle approche. Il était donc question de proposer et de valider une véritable démarche d’élaboration, de compréhension et de conception de ces matériaux. L’enjeu de la démarche proposée était de capitaliser et de faire parler ces savoirs et modèles aux différentes échelles à travers des outils permettant d’orienter de façon prédictive le choix des constituants et des procédés et ainsi réduire considérablement le temps de développement de ces matériaux dits de 3ème génération.

Pour ce faire le consortium a regroupé des physico-chimistes des matériaux, des spécialistes de la simulation des procédés d’élaboration, des spécialistes de la modélisation du comportement mécanique jusqu’à rupture, un élaborateur de matériaux et un utilisateur final des matériaux. Après une sélection des constituants de base des formulations, les travaux de recherche ont été réalisés dans une première étape sur matrice pure, constituée de mélanges de résines époxy avec des thermoplastiques solubles ou non-solubles. Les techniques de caractérisation des propriétés thermomécaniques et de rupture plus traditionnelles ont été accompagnée par des investigations novatrices des micro-mécanismes d'endommagement par microscopie à force atomique, ainsi que par des modélisations numériques des procédés de formation des morphologies complexes des matrices. Dans une deuxième étape, l’influence des fibres de renfort a été étudiée. Une comparaison permanente entre les résultats des essais de caractérisation des propriétés physico chimiques, mécaniques, et des résultats des modèles de simulation était réalisée tout le long du projet pour valider les modèles proposés.

Les résultats du projet PROMORPH ont conduit à une amélioration considérable dans la compréhension des mécanismes de formation des morphologies et des propriétés associées, ce qui permettra aux utilisateurs finaux d’anticiper et de trouver des solutions aux problèmes potentiels pouvant apparaitre dans les conditions industrielles de fabrication de pièces de structures.

Au delà des objectifs primaires du projet, les observations novatrices sur les micro-mécanismes d'endommagement on permis des avancés importantes dans la connaissance et la compréhension de l'avancé des fissures dans les mélanges complexes de polymère vitreux utilisées comme matrices des composites.

[1] D. Borzacchiello, A. Leygue and F. Chinesta. «Influence of thermal effects on the morphological patterns developed through phase separation in binary systems.« Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering 22.5 (2014): 055015.
[2

La recherche de matériaux composites aux propriétés améliorées conduit à développer et tester des matrices de plus en plus complexes, multiphasées à distribution hétérogène. Ces phases et distributions dépendent du procédé d’élaboration et impactent fortement les propriétés d’usage (tolérance aux dommages, ténacité, rupture …). La complexité des phénomènes à toutes les échelles, leur interaction fait que la compréhension et la maîtrise de cette chaîne ne peut se faire que par des modélisations multi-physiques validées pour être à même de prévoir les morphologies liées à un procédé, comprendre et maîtriser le lien entre ces morphologies et les réseaux de fissure susceptibles de ce développer. L’établissement des relations structure/morphologie/propriétés pour les matériaux composites à matrice organique sera une des finalités de ces travaux. L’état des connaissances ne permettait pas jusqu’à ce jour une telle approche. Il s’agit donc de proposer et de valider une véritable démarche d’élaboration, de compréhension et de conception de ces matériaux. L’enjeu de la démarche proposée est de capitaliser et de faire parler ces savoirs et modèles aux différentes échelles à travers des outils permettant d’orienter de façon prédictive le choix des constituants et des procédés et ainsi réduire considérablement le temps de développement de ces matériaux dits de 3ème génération.
Une bonne compréhension des mécanismes de formation des morphologies et des propriétés associées permettra aux utilisateurs finaux d’anticiper et de trouver des solutions aux problèmes potentiels pouvant apparaitre dans les conditions industrielles de fabrication de pièces de structures. Pour ce faire le consortium regroupe des physico-chimistes des matériaux, des spécialistes de la simulation des procédés d’élaboration, des spécialistes de la modélisation du comportement mécanique jusqu’à rupture, un élaborateur de matériaux et un utilisateur final des matériaux.
Après une sélection des constituants de base des formulations, les travaux de recherche seront réalisés dans une première étape sur matrice pure. Dans une deuxième étape, l’influence des fibres de renfort sera étudiée. Une comparaison permanente entre les résultats des essais de caractérisation des propriétés physico chimiques, mécanique, et des résultats des modèles de simulation sera réalisé pour valider les modèles proposés.

Coordinateur du projet

Monsieur Matteo Ciccotti (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR PARIS B) – matteo.ciccotti@espci.fr

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

ARKEMA ARKEMA France
L2C CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE LANGUEDOC-ROUSSILLON
INSA-IMP INSTITUT NATIONAL DES SCIENCES APPLIQUEES DE LYON - INSA
EC-N ECOLE CENTRALE DE NANTES
EADS IW EADS France
ENS Cachan ECOLE NORMALE SUPERIEURE DE CACHAN
ESPCI CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR PARIS B

Aide de l'ANR 1 117 974 euros
Début et durée du projet scientifique : janvier 2012 - 42 Mois

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