Plasma à pression atmosphérique, traitement Corona

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Conclusion.

Ce chapitre montre l’intérêt de l’utilisation des composites C/C dans les industries aéronautique et spatiale. En effet, ils présentent des propriétés thermomécaniques adaptées à de nombreuses applications hautement énergétiques. Cependant, l’intégrité de ces matériaux est régie par les interfaces fibre/matrice, zones intervenant dans le processus de dégradation par oxydation du matériau. La recherche du renforcement de la liaison fibre/matrice est une voie d’exploration en vue d’améliorer les propriétés globales des composites C/C. La modification de surface des fibres de carbone et plus particulièrement l’augmentation de la composante dispersive de l’énergie de surface est la voie envisagée pour le renforcement de cette liaison.
Pour cette étude, la modification de la surface des fibres de carbone doit être effectuée lorsque les fibres sont agencées en préforme. Les procédés de traitements de surface requis ont tous un caractère oxydant avec pour objectif de créer de nouveaux carbones de bord de plan. De plus, un point important de ces travaux sera la mise au point de ces traitements pour obtenir la meilleure homogénéité dans le volume de la préforme (épaisseur = 30 mm). En d’autres termes, il faut que toutes les fibres de la préforme aient une valeur d’énergie de surface proche.
L’évaluation de l’impact des modifications de surface des fibres sur l’intensité de la liaison fibre/matrice doit s’effectuer en deux temps. Le premier doit être l’étude des fibres avant densification, caractérisées principalement par Chromatographie Gazeuse en phase Inverse à Dilution Infinie. Cette technique est considérée, pour cette étude, comme discriminatoire, c’est-à-dire que tout procédé n’engendrant pas d’augmentation de l’énergie de surface des fibres sera abandonné. Le second concerne l’étude des composites (liaison fibre/matrice) notamment d’un point de vue mécanique.
L’objectif de ce travail de thèse est d’élaborer et caractériser des matériaux composites C/C à interface modifiées. En d’autres termes, le lien entre les propriétés physico-chimiques de la surface des fibres (création de nouveaux sites actifs) et les propriétés finales des matériaux devra être établi.
Le prochain chapitre s’intéresse particulièrement à la mise au point des traitements et l’évaluation des modifications de surface associées.
Afin d’accroître la liaison fibre/matrice dans les composites C/C, il est envisagée de modifier la surface des fibres afin d’augmenter leur énergie de surface (γsdfibres). Les fibres sont alors traitées au stade de préforme par différents procédés de traitements de surface. Le chapitre 1 a permis de mettre en évidence deux catégories, la première appelée voie gazeuse qui regroupe le procédé Corona et l’oxydation ménagée et la seconde nommée voie humide avec l’oxydation anodique et l’anodisation suivie d’un choc thermique (rapide montée en température). Ainsi, une gamme variée d’état de surface des fibres est obtenue.
Dans ce chapitre est présentée (i) la démarche de caractérisation effectuée sur chaque préforme traitée, (ii) l’optimisation des conditions opératoires afin d’obtenir un traitement homogène dans le volume de la préforme, (iii) un état des lieux à différentes échelles des modifications de surface occasionnées par les traitements servant alors de base pour la corrélation entre propriétés de surface des fibres et comportement des composites C/C.
1. Protocole de caractérisation.
La caractérisation de surface des fibres après traitement a pour objectifs :
– d’évaluer leur énergie de surface,
– d’estimer leur niveau de dégradation,
– de vérifier l’homogénéité du traitement dans le volume de la préforme.
Un état des lieux des modifications de surface des fibres est donc effectué. La même procédure présentée à la figure 31 est appliquée pour chaque préforme traitée.
Il est toutefois nécessaire d’apporter des précisions :
Etape initiale (préparation de surface), elle est réalisée par sonification dans un bain d’éthanol pendant 15 min suivie d’un rinçage à l’eau distillée et d’un séchage à 100°C jusqu’à élimination de toute trace d’eau. Tout ceci afin d’éliminer les couches de faible cohésion pouvant être présentes à la surface des fibres (poussières…).
Etape 1, la préforme d’épaisseur 30 mm est découpée en six strates de 5 mm. Cette épaisseur correspond à une masse de fibres adéquate pour l’analyse par CGI-DI. Par la suite, chaque strate subit une opération grossière de détissage afin d’obtenir de petites parties aiguilletées permettant le bon remplissage d’une colonne chromatographique.
La figure 32 illustre les différentes strates. Il est utile de noter que les fibres des strates 1E et 6E sont considérées comme fibres de surface de la préforme alors que 3E et 4E sont celles de cœur.
Figure 32 : Schéma de la division d’une préforme en 6 strates.
Etape 2, chaque colonne remplie des fibres traitées est conditionnée pendant une nuit à 200°C sous un flux d’hélium de 20 ml/min afin de dégazer la surface des fibres d’impuretés volatiles et stabiliser le flux de gaz vecteur. La température d’analyse est de 100 °C. Le chromatographe gaz utilisé est un Clarus 480 de chez Perkin Elmer. L’intérieur du four du chromatographe est présenté à la figure 33
Figure 33 : Intérieur de four du chromatographe Clarus 480.
Etape 3, Les différentes techniques de caractérisations utilisées pour compléter l’analyse par CGI-DI sont données ci-après. Des présentations succinctes de chaque technique sont données aux
– Microscopie électronique à balayage (MEB : Hitachi S4500-I) : Obtention de manière qualitative de la rugosité et/ou l’endommagement des fibres.
– Microscopie à force atomique (AFM : Veeco dimension 3100 avec des pointes de marque Olympus) : Recherche d’une meilleure résolution de la topographie de la surface des fibres et quantification de la rugosité.
– Microscopie électronique en transmission (MET : microscope Philips CM30) : Observation dans le sens transverse des fibres afin de mettre en évidence la sub-surface de ces dernières.
– Spectroscopie RAMAN (microspectromètre Raman Horriba-Jobin Yvon de type Labram HR) : Obtention de renseignements structuraux sur la modification de surface des fibres.
– Spectroscopie de photoélectrons X (XPS : spectromètre ESCALAB VG 220i-XL avec une source monochromatique RX Al Kα du CECAMA) : Mise en évidence de la chimie de surface des fibres (présence de fonctions oxygénées).
– Traction sur fibres (monofilamentaire). La procédure développée au LCTS consiste
à tendre et fixer un monofilament sur un cadre en papier (longueur de jauge 10 mm) en collant chacune de ses extrémités et procéder au test de traction après avoir préalablement coupé les côtés du cadre. Ainsi, il est possible de quantifier l’impact d’un traitement de surface sur les propriétés à rupture des fibres. Le montage expérimental est décrit à la figure 34.

Table des matières

Chapitre 1 : Synthèse Bibliographique.
Introduction
1. Les composites Carbone/Carbone
1.1. Généralités
1.2 Le renfort fibreux.
1.2.1. Les fibres ex-PAN.
1.2.2. Les préformes
1.3. Matrice de carbone.
2. L’interface fibre/matrice dans les Carbone/Carbone.
2.1. Rôle des interfaces dans les composites C/C
2.1.1. Impact sur les propriétés mécaniques
2.1.2. Impact sur la résistance à l’oxydation
2.2. Facteurs influents sur la force de la liaison interfaciale
3. Modification de la surface des fibres
3.1. Voie gazeuse
3.1.1. Plasma à pression atmosphérique, traitement Corona
3.1.2. Oxydation ménagée
3.2. Voie humide
3.2.1. Oxydation anodique
3.2.2. Intercalation suivie d’un post-traitement
4. Caractérisation de la surface des fibres
4.1. Energie de surface d’un solide
4.1.1. Approche macroscopique
4.1.2. Approche microscopique.
4.1.3. Adsorption gazeuse
4.2. Chromatographie Gazeuse en Phase inverse
4.2.1. Principe.
4.2.2. Grandeurs Expérimentales.
4.2.3. Composante dispersive de l’énergie de surface
4.2.4. L’indice morphologique
4.2.5. Interactions spécifiques
Conclusion.
Chapitre 2 : Modifications et caractérisations de la surface des fibres de carbone.
Introduction.
1. Protocole de caractérisation.
2. Traitement Corona.
2.1. Protocole expérimental
2.2. Propriétés de surface des fibres après traitement.
2.2.1. Caractérisation par CGI-DI
2.2.1. Observations au microscope électronique à balayage (MEB).
3. Traitement par oxydation ménagée.
3.1. Procédé expérimental.
3.2. Traitement par flux alternés « lents ».
3.2.1. Caractérisation par CGI-DI
3.2.2. Approche du mécanisme général d’oxydation.
3.3. Traitement par flux alternés « rapides »
3.3.1. Caractérisation par CGI
3.3.2. Spectroscopie RAMAN
3.3.2. Morphologie/topographie de surface
3.3.2. Traction monofilamentaire.
3.3.3. Bilan
4. Traitement par oxydation anodique
4.1. Anodisation par courant pulsé
4.2. Etude paramétrique..
4.3. Propriétés de surface des fibres après traitement.
4.3.1. Caractérisation par CGI-DI
4.3.2. Spectroscopie RAMAN
4.3.3. Morphologie/topographie de surface
4.3.4. Traction monofilamentaire.
4.3.5. Bilan
5. Anodisation suivi d’un traitement thermique flash
5.1. Caractérisation par CGI-DI.
5.2. Morphologie/topographie de surface..
5.3. Traction monofilamentaire
5.4. Bilan
5.5. Etude sur fibres ex-brai.
6. Analyse du front arrière des chromatogrammes
Conclusion.
Chapitre 3 : Propriétés des composites à interface modulée.
Introduction.
1. Protocole de caractérisation.
2. Microstructure interfaciale
3. Essais de traction.
3.1. Appareillages et éprouvettes
3.2. Matériau à interface modulée par oxydation ménagée (COxM)
3.2.1. Traction monotone, orientation des fibres [0, 60, -60].
3.2.2. Traction cyclée, orientation des fibres [0, 60, -60]
3.2.3. Faciès de rupture.
3.2.4. Traction monotone, orientation des fibres [90, 30, -30]..
3.3. Matériau à interface modulée par oxydation anodique (COxA)
3.3.1. Traction monotone, orientation des fibres [0, 60, -60].
3.3.2. Traction cyclée, orientation des fibres [0, 60, -60]
3.3.3. Faciès de rupture.
3.3.4. Traction monotone, orientation des fibres [90, 30, -30]..
3.4. Matériau à interface modulée par anodisation + choc thermique (COxA+θ).
3.4.1. Traction monotone, orientation des fibres [0, 60, -60].
3.4.2. Traction cyclée, orientation des fibres [0, 60, -60]
3.4.3. Faciès de rupture.
3.4.4. Traction monotone, orientation des fibres [90, 30, -30]..
3.5. Bilan
4. Résistance à l’oxydation..
4.1. Appareillages et éprouvettes
4.2. Résultats
5. Mesures thermiques
5.1. Appareillages et éprouvettes
5.2. Résultats.
Conclusion
Conclusion Générale
Références bibliographiques
Annexes