Caractéristiques des matériaux composites à fibres de ... · 5 – Comment améliorer la...

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Caractéristiques des matériaux composites à fibres de carbone recyclées -Intéractions morphologies / propriétés- Olivier MANTAUX Arnaud Gillet I2M MPI

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Caractéristiques des matériaux composites

à fibres de carbone recyclées -Intéractions morphologies / propriétés-

Olivier MANTAUX – Arnaud Gillet – I2M MPI

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Plan

12 décembre 2017 Oneraday 2

➔ 1 - Recyclage d’un matériau composite à fibres de carbone

➔ 2 – Caractéristiques des fibres de carbone recyclées (FCR)

➔ 3 - Propriétés des composites carbone …recyclés

➔ 4 - Influence de la mise en forme de fibres

➔ 5 – Comment améliorer la résistance des composites FCR

➔ Perspectives

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1 – Recyclage des composites carbone

1.1 - Déchets composites à fibres de carbone

➔ Peu de déchets de fin de vie

➔ Majoritairement des déchets de production

➔ Gisement localisé : fabricants aéronautiques

➔ Gisement faible : 300 à 1000t/an

➔ Produits longs ( tissus, bobines…)

+ démantèlement militaire

3 12 décembre 2017 Oneraday

Où trouver des déchets carbone ?

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1.2 – Objectif du recyclage des composites carbone

➔ Fort taux de fibres (60% à 70%)

Grande résistance longitudinale

Recyclage de la fibre de carbone, résine

Fibres non vieillies mais faible volume

Forte valeur (>50€/kg pour la fibre neuve)

12 décembre 2017 Oneraday 4

Matériaux « hautes performances »

(application structurales)

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1.3 – Procédé de recyclage

➔ Plusieurs étapes nécessaires

12 décembre 2017 Oneraday 5

Déchets

composites

Elimination de

la matrice

Fibres de carbone

recyclées

FCR

Pièces composite 2°G

?

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1.4 – Séparation fibre / matrice par pyrolyse

12 décembre 2017 Oneraday 6 6

Pyrolyse 30% récup énergie

400°C – 600°C

sans O2

2 à 8h

Energie

Déchets (broyés?) Fibres

Technologie mature

Faible perte de propriétés (-5 à -20%)

Récupération d’énergie

+ Résines FR, HT ?

Pénétration à coeur ?

Pollution ?

Emmêlement, longueur possible ?

-

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1.5 – Séparation fibre / matrice par solvolyse

12 décembre 2017 Oneraday 7 7

Solvolyse

7

Energie

Déchets (découpés) Fibres (non déplacées)

400°C

200 bar

1h

+

+ Toute matrice organique est dissoute

Pénétration rapide à coeur

Aucune détérioration du carbone (-5%?)

Pas de brassage

Pas ou peu de pollution / impuretés

TRL5-6

Métier à inventer

Bilan énergétique à travailler

-

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2 - Caractérisation de fibres de carbone recyclées

…post-solvolyse

12 décembre 2017 Oneraday 8

0,0

500,0

1000,0

1500,0

2000,0

2500,0

3000,0

T800 neuve

T800 Eb

T800 sp R 30

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

250,0

300,0

350,0

T800 neuve

T800 Eb

T800 sp R 30

Contrainte à rupture d’une fibre sèche Module d’élasticité d’une fibre sèche

Aucune dégradation mesurable

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2 - Caractéristiques des fibres recyclées

post solvolyse

12 décembre 2017 Oneraday 9

Aucune dégradation visible

• Impact de la SFC = perte de l’ensimage

Carbon fibre:

T800HB

Fibre vierge

Après SFC

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3 - Propriétés des composites carbone …recyclés

o Valorisation maximale de la qualité de la fibre de carbone recyclée

(tirer parti de la qualité de la séparation fibres / matrice)

12 décembre 2017 Oneraday 10

Comment utiliser les fibres de carbone recyclées ?

➔ Fibres broyées ou fibres longues ?

➔ Sour quelle forme ?

➔ Avec quelle résine (TP, TD)?

➔ Applications structurales ?

Il existe 2 techniques opérationnelles pour éliminer la matrice

sans endommager les fibres de carbone

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3.1 - Composites carbone / autres matériaux « H.P. »

12 décembre 2017 Oneraday 11

Module spécifique (GPa / (kg/dm3))

Résistance spécifique(MPa / (kg/dm3))

100

1000

500

50

acie

r

Al

Ti

C. F

V

C. F

V U

D

C. F

C U

D

C.

FC

UD

a c i e r A

l Ti acie

r Alli

age léger

tita

ne

C. F

V

C. F

V U

D

C. F

C U

D

C.

FC

UD

FC

R ?

?

FC

R ?

?

1290

129

C. F

C 2

D

640

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3.2 - Que doit-on attendre des composites FCR ?

12 décembre 2017 Oneraday 12

➔ Viser E spécifique > 60 <=> E> 95 Gpa

➔ Viser R spécifique > 500 <=> E> 750 MPa

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3.3 - Caractéristiques futures des composites FCR

12 décembre 2017 Oneraday 13

UD fibres continues

500

1000

1500

2000

Fibres courtes non alignées

Rm (Mpa)

composite C/epoxy

Composite FCR

➔ Pour faire des composites FCR des matériaux « hautes performances »

› Fibres longues,

› Fibres alignées,

› Fort taux de fibre,

› Fibres imbriquées

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3.4 - Bibliographie

caractéristiques des composites FCR

12 décembre 2017 Oneraday 14

➔ Moulage par injection Institut FraunHaufer (D)

Fibres courtes non alignées

+ matrice PP

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3.4 - Bibliographie

caractéristiques des composites FCR

➔ Moulage par injection FCR courtes + matrice Thp (PP)

12 décembre 2017 Oneraday 15

K.H. Wong, D. Syed Mohammed, S.J. Pickering, R. Brooks Effect of coupling agents on reinforcing potential of recycled carbon fibre for polypropylene composite Composites Science and Technology 72 (2012) 835–844

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➔ Broyage + réincorporation avec résines

12 décembre 2017 Oneraday 16

O. Saburow, J. Huether, R. Maertens, A. Trauth, Y. Kechaou, F. Henning, K. A. Weidenmann A direct process to reuse dry fiber production waste for recycled carbon fiber bulk molding compounds 1st Cirp Conference on Composite Materials Parts Manufacturing, cirp-ccmpm2017

unsaturated polyester - polyurethane hybrid resin (UPPH)

SMC: virgin fibers BMC: recycled fiber (vf 42%)

3.4 - Bibliographie

caractéristiques des composites FCR

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➔ Etudes Hitachi (Jap.)

Fibres sous forme de « perruques »

(pas de remise en forme)

+ matrice époxy

Résistance 90 MPa

12 décembre 2017 Oneraday 17

3.4 - Bibliographie

caractéristiques des composites FCR

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➔ Projet AfReCar (UK)

(FCR « bon marché »

fibres non alignées

Lf 40mm

Résistance 200 MPa

12 décembre 2017 Oneraday 18

3.4 - Bibliographie

caractéristiques des composites FCR

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➔ Fibres recyclées sous forme de voiles 2D enduits

12 décembre 2017 Oneraday 19

Jakob Wöllinga, Maren Schmiega, Frank Manisa and Klaus Drechslerb, Nonwovens from recycled carbon fibres – comparison of processing technologies Procedia CIRP 66 ( 2017 ) 271 – 276

Fibres pyrolysées

Lf 10 à 30 mm

Matrices TP/TD

Procédé compression, RTM

=> Vf 20 à 25%

3.4 - Bibliographie

caractéristiques des composites FCR

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➔ Travaux Univ. Birmingham / Boeing (UK)

fibres partiellement alignées (40%) sous forme de voile

Lf ≈ 40mm

R ≈ 400 Mpa

12 décembre 2017 Oneraday 20

3.4 - Bibliographie

caractéristiques des composites FCR

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➔ Technologie de réalignement I2M - Bordeaux

12 décembre 2017 Oneraday 21

Production de bandes continues de fibres réalignées

Lf 50 à 200mm

Dispersion d’alignement 8°

Morceaux de tissus

3.5 – Technologie I2M

caractéristiques des composites FCR

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3.5 – Technologie I2M

caractéristiques des composites FCR

➔ Résultats des composites « I2M »

12 décembre 2017 Oneraday 22

50mm < Lf < 300mm Réalignement ± 8°

R ≈ 550 à 1000 Mpa

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4 – Influence de la mise en œuvre

4.1 Positionnement des composites FCR ?

12 décembre 2017 Oneraday 23

FCR courtes

ou non alignées

FCR Lf > 100

et alignées

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➔ Paramètres morphologiques

12 décembre 2017 Oneraday 24

4.2 paramètres morphologiques des FCR

Longueur des

fibres Lf Dispersion

d’alignement Dq

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4.3 Etude de l’effet de la longueur des FCR

12 décembre 2017 Oneraday 25

25

Module

théorique de

l’UD

➔ Module composite RCF = module vierge si Lf > 100mm

Fibres

réalignées

UD vierge

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4.3 Etude de l’effet de la longueur des FCR

➔ Résistance composite RCF > 50% résistance vierge si Lf > 100mm

12 décembre 2017 Oneraday 26

Fibres

réalignées

UD vierge

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4.4 Etude de l’effet du désalignement des FCR

12 décembre 2017 Oneraday 27

Module longitudinal en fonction de la longueur des fibres

➔ Un désalignement < 15° a peu d’effet sur le module d’élasticité

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4.4 Etude de l’effet du désalignement des FCR

12 décembre 2017 Oneraday 28

Contrainte à rupture fonction de la longueur des fibres

➔ Un désalignement de 15° engendre une baisse de 10% de la résistance

➔ Baisse de résistance obtenue expérimentalement : 38%…

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4.4 Paramètres supplémentaires à étudier

12 décembre 2017 Oneraday 29

29

Composite FCR = composite à fibres discontinues…

➔ Longueur de recouvrement ?

Lr

Hélas, ce n’est pas si facile…

RUPTURE DE LA MATRICE

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5 - Perspectives

➔ Etude de la morphologie idéale des préformes de FCR

12 décembre 2017 Oneraday 30

x

?

Maximiser x + « casser » la régularité

x RUPTURE D’UNE FIBRE / 2 => RM = 1/2 Rthéo.

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CONCLUSION

➔ Si Lf > 100mm, les composites RCF seront très rigides,

12 décembre 2017 Oneraday 31

➔ Seule l’étude et la maitrise de l’imbrication des RCF permettra

d’obtenir des résistances > 1000 MPa

➔ C’est la morphologie des fibres qui conditionne la résistance

➔ Il est possible d’obtenir une résistance des RCF = ½ résistance

vierge