Les matériaux composites ont connu ces dernières années une forte croissance, croissance aujourd'hui renforcée par les nouvelles normes européenne visant à diminuer les émissions CO2 d'ici 2020. La réalisation de pièces complexes peut poser de nombreuses problématiques de fabrication comme la formation de zones sèches, ou la création de distorsions géométriques. Les origines de ces problématiques sont souvent liées à un manque de connaissance et de maîtrise des phases d'imprégnation des renforts et de cuisson du matériau. L'amélioration de la robustesse des procédés nécessite d'avoir une connaissance fine des phénomènes physiques qui ont lieu lors de l'élaboration. Dans cette perspective, les procédés d'élaboration de matériaux composites ont été étudiés à travers la mise en place d'un démonstrateur de laboratoire dans le cadre du projet LCM Smart. Ce pilote d'injection a permis de valider des solutions d'instrumentation, à partir de capteurs innovants (OFS) développés en partenariat avec le laboratoire d'optique Hubert Curien.L'application de cette instrumentation dans le cadre du suivi du procédé RTM a démontré les capacités des OFS pour le suivi des caractéristiques physiques de la pièce (le front d'écoulement, la température, les déformations résiduelles et le degré de cuisson). La comparaison des caractéristiques mesurées avec des simulations numériques effectuées en collaboration avec ESI, a montré une bonne corrélation.Enfin, l'instrumentation a permis de mettre en évidence l'intérêt d'un outillage composite en HexTool pour la réduction des contraintes résiduelles liées à l'interaction outil/pièce.

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Numerical simulation for Resin Transfer Molding (RTM) manufacturing process is attempted by using the eXtended Finite Element Method (XFEM) combined with the level set method. XFEM allows to obtaining a good numerical precision of the pressure near the resin flow front, where its gradient is discontinuous. The enriched shape functions of XFEM are derived by using the level set values so as to correctly describe the interpolation with the resin flow front. In addition, the level set method is used to transport the resin flow front at each time step during the mold filling. The level set values are calculated by an implicit characteristic Galerkin FEM. The multi-frontal solver of IPSAP is adopted to solve the system. This work is validated by comparing the obtained results with analytic solutions.Moreover, a localization method of XFEM and level set method is proposed to increase the computing efficiency. The computation domain is reduced to the small region near the resin flow front. Therefore, the total computing time is strongly reduced by it. The efficiency test is made with simple channel or radial flow models. Several application examples are analyzed to demonstrate ability of this method. A wind turbine blade is also treated as industrial application. Finally, a Graphic User Interface (GUI) tool is developed so as to make easy the pre/post-processing of the simulation.

Cette thèse traite la fabrication de pièces composites par le procédé " Resin Transert Molding " (RTM), appliquée à des tubes de protections thermiques assemblées dans des propulseurs de systèmes d'armes. Ces travaux ont pour objectif de démontrer la faisabilité d'utilisation de ce procédé pour la fabrication de ces pièces complexes. C'est le préformage, première étape du procédé de fabrication par RTM, qui est étudié dans le cadre de cette thèse. Cette étape est cruciale du point de vue de la faisabilité de l'étape d'injection qui la suit dans le procédé RTM mais aussi pour s'assurer de la qualité de la pièce composite finale obtenue. L'objectif des travaux de thèse est triple. Il faut tout d'abord développer le protocole de fabrication répétable adapté pour garantir l'obtention de préformes conformes. Ce protocole devra être viable du point de vue industriel. Pour cela, une démarche expérimentale a été mise en place. Un pilote de laboratoire puis un pilote industriel ont permis de comprendre et maitriser les phénomènes survenant en cours de préformage en faisant varier les paramètres procédé pour la fabrication de nombreux prototypes. Un modèle macroscopique prédictif de la forme globale des plis obtenus à partir des paramètres procédés a été développé à l'aide des observations expérimentales. Un modèle mésoscopique, à l'échelle de la maille élémentaire, a été écrit également. Il permet de prédire, à partir des données constitutives du matériau et d'une géométrie de pièce, la déformation de compaction et de cisaillement, modes de sollicitations prépondérants en cours de préformage, subie par le renfort en cours de la première étape du procédé de fabrication. Ces modèles mésoscopique et macroscopique couplés permettent le développement d'un outil global qui, de manière théorique et prédictive, assure la faisabilité d'une pièce de géométrie connue avec un matériau connu et fournit les paramètres " procédé " optimum pour assurer sa fabrication future. Les phénomènes de déformation en cisaillement et compaction apparaissant sur la tresse en cours de préformage sont donc identifiés et connus. Le procédé de fabrication est optimisé et l'outil prédictif permet d'envisager et tester en amont un changement de matériau, de géométrie de pièce à fabriquer ou de cahier descharges industriel.

O uso de nanotubos de carbono (NTC) em compósitos Epóxi (EP)/Fibra de Vidro (FV), produzindo compósitos tri-componente, tem sido recentemente pesquisado, com alguns resultados interessantes relacionados a propriedades mecânicas e eletromagnéticas. Para que haja uma promoção mais significativa nas propriedades mecânicas, deve-se introduzir um teor de NTC maior do que 1% em massa, o que gera graves problemas de dispersão. O grande desafio de trabalhar com um elevado de NTC, é que a viscosidade da resina é significativamente aumentada em relação à resina pura, dificultando a dispersão e o processamento dos compósitos. Foi desenvolvida neste trabalho uma metodologia para dispersão de NTC em tecidos de FV, buscando aumentar os teores de NTC em compósitos tri-componente EP/NTC/FV e produzidos por moldagem por transferência de resina (RTM). Os compósitos tri-componente foram caracterizados por meio de ensaios mecânicos como tração, flexão, impacto Izod, cisalhamento interlaminar (ILSS), dureza Barcol e da análise dinâmico-mecânica (DMA); além da inspeção por ultrassom e avaliação da atenuação da radiação eletromagnética. Os compósitos apresentaram um aumento aproximado de 10% nas propriedades mecânicas, porém mostrando um maior potencial com relação à atenuação eletromagnética, onde alcançaram valores de absorção de ondas de até 95%. / The use of carbon nanotubes (CNT) in Epoxy (EP)/Glass Fiber (GF) composites, producing tri-component composites, has been widely researched, with some interesting results related to mechanical and electromagnetic properties. When the goal is a significant improvement in mechanical properties, CNT content greater than 1%wt. may be necessary, which yields serious dispersion problems. The great challenge when processing a high CNT content resin is that its viscosity is significantly increased in comparison with the neat resin, preventing adequate dispersion and processing of the composite. In this work, a methodology for the dispersion of CNT in GF fabrics was developed aiming to increase the CNT content in EP/CNT/GF tri-component composites produced by resin transfer molding (RTM). The composites were characterized using tensile, flexural, Izod impact, interlaminar shear strength (ILSS), Barcol hardness testing and dynamic mechanical analysis (DMA); ultrasound inspection and attenuation of electromagnetic radiation evaluation were also carried out. The tri-component composites showed an overall maximum increase of only 10% in the mechanical properties, but displayed great potential use for attenuation of electromagnetic radiation, reaching 95% wave absorption.

Submitted by Daniel Magalhães de Oliveira (daniel.steiger@live.com) on 2018-09-18T00:49:16Z No. of bitstreams: 1 Dissertação - Daniel Magalhaes de Oliveira OK.pdf: 10110047 bytes, checksum: 86cc594889112132d78452c96ef59879 (MD5) / Approved for entry into archive by Pamella Benevides Gonçalves null (pamella@feg.unesp.br) on 2018-09-18T13:49:56Z (GMT) No. of bitstreams: 1 oliveira_dm_dm_guara.pdf: 10110047 bytes, checksum: 86cc594889112132d78452c96ef59879 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-18T13:49:56Z (GMT). No. of bitstreams: 1 oliveira_dm_dm_guara.pdf: 10110047 bytes, checksum: 86cc594889112132d78452c96ef59879 (MD5) Previous issue date: 2018-07-30 / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq) / Maior conscientização em relação as questões ambientais, atrelada a escassez de recursos, problemas ambientais globais e a políticas ambientais cada vez mais fortes influenciaram indústrias e pesquisadores a apreciar, estudar e desenvolver novos materiais a partir de fontes renováveis e novas tecnologias de fabricação. Entretanto, na literatura é reportado que a adesão interfacial entre fibras naturais e matriz polimérica é um fator que afeta as propriedades mecânicas do biocompósito, podendo ser melhorada por diversos tipos de tratamentos superficiais. Assim sendo, mantas de fibra de coco foram tratadas superficialmente por jato de plasma atmosférico, considerado menos agressivo ao meio ambiente quando comparado a tratamentos químicos, com o intuito de melhorar a adesão interfacial do biocompósitos. As fibras de coco foram caracterizadas com o objetivo de verificar a influência do tratamento nas propriedades físicas, químicas e térmicas. Verificou-se que o tratamento modificou a superfície das fibras e, consequentemente, sua hidrofilicidade e energia superficial, diminuindo o valor da permeabilidade. Parâmetros de processamento e o ciclo de cura mais adequado foram determinados como 80 ºC por 210 min, 135 ºC por 180 min e 160 ºC por 120 min, sem a aplicação de vácuo durante o processo e com fração volumétrica de fibras de aproximadamente 40 %. Inspeção acústica por ultrassom permitiu avaliar o processamento das placas dos biocompósitos verificando possíveis imperfeições causadas pela impregnação da fibra pela resina e sua homogeneidade. As análises termogravimétricas indicaram que a temperatura inicial de degradação dos biocompósitos é de 175 ºC. A temperatura de transição vítrea, determinada por DMA, é de aproximadamente 80 ºC. Os ensaios mecânicos apresentaram maiores valores de resistência à tração e de resistência à flexão para os biocompósitos reforçados com fibras tratadas quando comparados aos biocompósitos reforçados com fibras in natura. Maiores valores do módulo em tração e módulo em flexão, bem como os módulos de perda e armazenamento calculados por DMA para os biocompósitos reforçados com fibras tratadas sustentaram melhores propriedades mecânicas como resultado do tratamento a plasma. A morfologia da fratura dos biocompósitos indicou uma melhor adesão reforço-matriz para os biocompósitos com fibras tratadas. / Greater awareness regarding environmental issues, coupled with scarcity of resources, global environmental problems, and increasingly strong environmental policies have influenced industries and researchers to appreciate, study and develop new materials from renewable resources and new manufacturing technologies. However, literature reports that interfacial adhesion between natural fibers and polymeric matrix is a factor that affects the biocomposite mechanical properties, able to be improved by several types of surface treatments. Thus, coconut fiber mats were surface treated by atmospheric plasma jet, considered less aggressive to the environment when compared to chemical treatments, in order to improve interfacial adhesion with the polymer matrix to obtain biocomposites. Data from coconut fiber characterization shown that the treatment modified the fibers surface and consequently their hydrophilicity and surface energy, decreasing their permeability value. Processing parameters and most appropriate curing cycle were determined and defined as 80 °C for 210 min, 135 °C for 180 min and 160 °C for 120 min, without application of vacuum during the process and approximately 40 % fiber volume fraction. Ultrasonic acoustic inspection allowed evaluating the biocomposite plates processing by verifying possible imperfections caused by impregnation of the coconut fiber by the resin and its homogeneity. Thermogravimetric analysis indicated that the initial biocomposite degradation temperature is 175 °C. Glass transition temperature, determined by DMA, is approximately 80 °C. Mechanical tests presented higher values of tensile strength and flexural strength for the biocomposites reinforced with treated fibers when compared to the biocomposites reinforced with untreated fibers. Higher values of tensile and flexural modulus, as well as DMA loss and storage modulus for biocomposites reinforced with treated fibers sustained better mechanical properties because of the plasma treatment. Fracture morphology indicated better reinforcement-matrix adhesion for biocomposite reinforced with treated fibers / 136348/2016-5

O uso de nanotubos de carbono (NTC) em compósitos Epóxi (EP)/Fibra de Vidro (FV), produzindo compósitos tri-componente, tem sido recentemente pesquisado, com alguns resultados interessantes relacionados a propriedades mecânicas e eletromagnéticas. Para que haja uma promoção mais significativa nas propriedades mecânicas, deve-se introduzir um teor de NTC maior do que 1% em massa, o que gera graves problemas de dispersão. O grande desafio de trabalhar com um elevado de NTC, é que a viscosidade da resina é significativamente aumentada em relação à resina pura, dificultando a dispersão e o processamento dos compósitos. Foi desenvolvida neste trabalho uma metodologia para dispersão de NTC em tecidos de FV, buscando aumentar os teores de NTC em compósitos tri-componente EP/NTC/FV e produzidos por moldagem por transferência de resina (RTM). Os compósitos tri-componente foram caracterizados por meio de ensaios mecânicos como tração, flexão, impacto Izod, cisalhamento interlaminar (ILSS), dureza Barcol e da análise dinâmico-mecânica (DMA); além da inspeção por ultrassom e avaliação da atenuação da radiação eletromagnética. Os compósitos apresentaram um aumento aproximado de 10% nas propriedades mecânicas, porém mostrando um maior potencial com relação à atenuação eletromagnética, onde alcançaram valores de absorção de ondas de até 95%. / The use of carbon nanotubes (CNT) in Epoxy (EP)/Glass Fiber (GF) composites, producing tri-component composites, has been widely researched, with some interesting results related to mechanical and electromagnetic properties. When the goal is a significant improvement in mechanical properties, CNT content greater than 1%wt. may be necessary, which yields serious dispersion problems. The great challenge when processing a high CNT content resin is that its viscosity is significantly increased in comparison with the neat resin, preventing adequate dispersion and processing of the composite. In this work, a methodology for the dispersion of CNT in GF fabrics was developed aiming to increase the CNT content in EP/CNT/GF tri-component composites produced by resin transfer molding (RTM). The composites were characterized using tensile, flexural, Izod impact, interlaminar shear strength (ILSS), Barcol hardness testing and dynamic mechanical analysis (DMA); ultrasound inspection and attenuation of electromagnetic radiation evaluation were also carried out. The tri-component composites showed an overall maximum increase of only 10% in the mechanical properties, but displayed great potential use for attenuation of electromagnetic radiation, reaching 95% wave absorption.

[Les capteurs à fibres optiques présentent des qualités intéressantes en termes de tailles et de poids relativement faibles qui permettent de réduire l'intrusivité du capteur dans le matériau (ou dans la structure composite). Ils sont également insensibles aux perturbations électromagnétiques, stables et durables dans le temps, mais aussi sensibles à plusieurs sollicitations comme la température, la déformation et la pression, d'où un besoin essentiel de les discriminer. Parmi eux on distingue les réseaux de Bragg : ceux à courtes périodes (FBG : Fiber Bragg Grating) et ceux à longues périodes (LPG : Long Period Grating). Le travail de thèse reporté dans ce manuscrit, traite du développement d'un capteur à fibre optique basé sur la superposition d'un LPG et d'un FBG afin de mesurer et de discriminer la température et la déformation. De nombreuses approches sont proposées dans la littérature afin de découpler ces deux sollicitations cependant elles ne permettent pas forcément une utilisation en conditions réelles de mesures. C'est pourquoi nous introduisons la notion d'efficacité de découplage avec le paramètre E qui permet de comparer toutes ces approches et met en évidence un très bon potentiel pour la structure à base de réseaux superposés LPG/FBG. La mise en œuvre d'un tel composant est décrite dans ce manuscrit et consiste à inscrire initialement le LPG puis le FBG au même endroit et sur toute la longueur du LPG. De plus ce type de structure permet un multiplexage qui, bien que faible, est néanmoins possible. Les étalonnages en température et en déformation du capteur ont permis de mettre en évidence une erreur de l'ordre de 2% sur la sensibilité à la température et de 3% sur la sensibilité à la déformation, ce qui conduit à une erreur sur l'estimation de la température et de la déformation mesurée de l'ordre de 0.3°C et 3 microdef. Dans un souci applicatif, le capteur à base de réseaux de Bragg superposés est tout d'abord utilisé pour instrumenter une structure métallique soumise simultanément à une variation de température et de déformation. Les valeurs mesurées présentent une incertitude maximale de 0.4°C pour la température et de 3 me pour la déformation ce qui permet de valider notre composant pour le contrôle et la surveillance de structures métalliques. La seconde application étudiée est relative à l'instrumentation de pièces composites stratifiées de type verre/époxy pour le suivi de procédés d'élaboration par voie liquide : VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding) et LRI (Liquid Resin Infusion), pour lesquels l'évolution de la température et de la déformation au cours du procédé est suivie par le capteur à base de réseaux de Bragg superposés LPG/FBG. Des mesures diélectriques (DEA) sont également réalisées au cours de ces procédés et permettent la comparaison et la validation de nos résultats] / [Optical Fibre Sensors present some interesting qualities when considering its size and weight relatively light, which lead to a low intrusivity of the sensor in a material (a composite structure). These sensors are insensitive to electromagnetic phenomenon, stable and long lasting with time, but sensitive to several solicitations such as temperature, strain and pressure hence a real need of discrimination. Among these sensors, we may discern the Bragg gratings: the Long Period Grating one (LPG) and the Fibre Bragg Grating (FBG) one. This thesis work reports the development of an optical fibre sensor based on two superimposed Bragg gratings: LPG and FBG for measuring and discriminating temperature and strain. Several studies are reported in literature without getting a real condition use. That's why we propose a parameter E, which stand for the discrimination efficiency leading to a possible comparison of the existing techniques and highlight the quite good potential of superimposed Bragg gratings. The settings of such a structure are given in this thesis report and consist in writing LPG first, then FBG over the entire length of the LPG, which also gives multiplexing possibilities. Strain and temperature calibration steps give sensitivities errors of 2% for temperature and 3% for strain, which lead to estimated errors on measured strain and temperature of 0.3°C and 3 microstrain respectively. In an application point of view, the sensor has been used for the instrumentation of a metallic structure subjected to a variation of temperature and strain applied simultaneously. The results exhibit a maximum error of 0.4°C and 3me for temperature and strain respectively, which is a good validation of the sensor for structural control and monitoring purpose. The second studied application is about instrumentation of glass/epoxy composite specimen for monitoring manufacturing processes: VARTM (Vacuum Assisted Resin Transfer Moulding) and LRI (Liquid Resin Infusion), for which temperature and strain have been monitored with the superimposed Bragg gratings based sensor. Dielectric analyses have also been performed during those processes in order to compare and validate our results]

This diploma thesis called „Aileron Design of Composite Materials” deals with the technologies of production used in aricraft industries. It shows appropriate conceptions of composite structures for the airplane aileron of Aero L-159A/B as well as a proposal of an accetable structure for RTM process.