Comment un projet de recherche
fondamentale devient un projet industriel :
Les composites Mg renforcés de fibres de
carbon...
Confidentialité
Le contenu de cette présentation est relatif aux résultats obtenus lors du projet
Winnomat CMg/MMC et de l...
Contenu
• Introduction
• Cadre et objectifs du projet CMg MMC
• Moyens mis en œuvre
– Compétences Sirris
– Compétences ULg...
Introduction
• Composite fibres longues + matrice métal
Matériau Module de
Young
(GPa)
Résistance
(0.2%)
(MPa)
Contrainte
...
Introduction
• Composite fibres longues + matrice métal
Matériau Densité
g/cm³
Ténacité
MPa√m
Tmax
°C
Prix
€/kg
Aluminium ...
MMC Al + fibres C (63 vol.%)
Rigidité théorique atteinte
Limite de décohésion :
~300 MPa (fibres HR)
~1000-1300 MPa (fibre...
Introduction
Techniques de fabrication
Squeeze Casting
Exemple:
18 vol.% fC HR
𝜎𝜎𝑡𝑡𝑡 ≅400-600 MPa
→ Décohésion fibre/matri...
Introduction
Injection sur une préforme
Machine de thixomoulage Mg - Husky 650 (Sirris)
Innovant, développement conjoint S...
Cadre et objectifs du projet CMg MMC
• 3 partenaires:
– ULg-LTAS: matériaux métalliques
– UCL-FSA-MAPR-UMAP: composites mé...
Cadre et objectifs du projet CMg MMC
• Objectif: développer un procédé d’imprégnation
de fibres carbone par un alliage de ...
Moyens mis en œuvre (Sirris)
• Equipements:
– Presse de squeeze casting (UCL)
11
Moyens mis en œuvre (Sirris)
• Equipements:
– Presse d’injection Thixomolding (Sirris)
12
Moyens mis en œuvre (Sirris)
• Equipements:
– Machine d’imprégnation (Sirris)
piston
13
Moyens mis en œuvre (Sirris)
• Equipements:
– Four de fusion Mg (ULg-Sirris)
14
Moyens mis en œuvre (Sirris)
Préparation de préformes
- estampage de petits disques de tissus carbone
de 45 mm de diamètre...
Moyens mis en œuvre (ULg/MMS)
Préparation de préformes
- Découpage de 10 à 100 brins UD
- Hydrolyse d’une solution contena...
Moyens mis en œuvre (ULg/MMS)
Caractérisation
Microscopie
ATD/TGA (Netzsch STA 449)
Grindosonic 𝜔𝜔𝑖𝑖 = 𝛼𝛼𝑖𝑖
2 𝐸𝐸
𝜌𝜌
1
𝐿𝐿2
...
Moyens mis en œuvre (ULg/MMS)
Interactions micro-macro
La limitation des propriétés mécaniques provient
de plusieurs types...
Résultats
• Prétraitements
Rigidification de la préforme (SG SiO2/phosp. Al)
Augmentation de la tenue à l’oxydation des fi...
Résultats
• Préchauffage
Plusieurs techniques mises en œuvre
- Préchauffe simple (four)
- Soufflage d’air chaud
- Chauffag...
Résultats
• Paramètres d’injection et de compactage
Les paramètres (T, t, P) doivent être adaptés:
- Température du métal ...
Résultats
• Microstructures
Sol/gel de silice
Al(H2PO4)3 Préforme infiltrée par injection
22
Résultats
• Propriétés mécaniques (Squeeze Casting)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Young's modulus (GPa)
Ultimate strength ...
Résultats
• Module de Young (Injection)
Echantillon Section relative
de zone
renforcée
Taux de fibres
réel
Module
apparent...
Conclusions (ULg)
• Etude de traitements sur préformes (sol/gel
SiO2, phosph. Al) sur la rigidification, la qualité
d’impr...
Perspectives d’industrialisation
• Imprégnation préforme carbone dans des
conditions industrielles:
– Maîtrise réalisation...
Perspectives d’industrialisation
• Projet COMPOMAG
27
Références
[1] CES Edupack 2009/2012
[2] Techniques de l’ingénieur, Propriétés des fibres de carbone, http://www.technique...
Prochain SlideShare
Chargement dans…5
×

Les composites Mg renforcés de fibres de carbone - J. Halleux, H.-M. Montrieux, J. Lecomte-Beckers

2 205 vues

Publié le

Comment un projet de recherche fondamentale devient un projet industriel : les composites Mg renforcés de fibres de carboe

J. Halleux, H.-M. Montrieux, J. Lecomte-Beckers

Présentation dans le cadre de l'événement: Nouveaux matériaux à hautes performances : Les composites à matrice métallique/céramique , le 20 mai 2014

www.pluscomposites.eu

0 commentaire
0 j’aime
Statistiques
Remarques
  • Soyez le premier à commenter

  • Soyez le premier à aimer ceci

Aucun téléchargement
Vues
Nombre de vues
2 205
Sur SlideShare
0
Issues des intégrations
0
Intégrations
69
Actions
Partages
0
Téléchargements
12
Commentaires
0
J’aime
0
Intégrations 0
Aucune incorporation

Aucune remarque pour cette diapositive

Les composites Mg renforcés de fibres de carbone - J. Halleux, H.-M. Montrieux, J. Lecomte-Beckers

  1. 1. Comment un projet de recherche fondamentale devient un projet industriel : Les composites Mg renforcés de fibres de carbone Jacques Halleux (Sirris) Henri-Michel Montrieux (ULg/MMS) Prof. J. Lecomte-Beckers (ULg/MMS) www.metaux.ulg.ac.be 1
  2. 2. Confidentialité Le contenu de cette présentation est relatif aux résultats obtenus lors du projet Winnomat CMg/MMC et de la thèse de doctorat de H.-M. Montrieux en cours de rédaction (défini comme savoir-faire préexistant). Certaines données, essentielles pour la reproduction des résultats obtenus ont volontairement été omises. Dans ces conditions, les règles de confidentialité concernant les projets en cours sont respectées. 2
  3. 3. Contenu • Introduction • Cadre et objectifs du projet CMg MMC • Moyens mis en œuvre – Compétences Sirris – Compétences ULg • Résultats obtenus • Perspectives d’industrialisation (Compomag) • Conclusions 3
  4. 4. Introduction • Composite fibres longues + matrice métal Matériau Module de Young (GPa) Résistance (0.2%) (MPa) Contrainte à la rupture (MPa) Matrice Al 70 140 - Matrice Mg 45 90 - Fibres C HR 180-250 360-500 3000-6000 Fibres C HM 300-600 600-1200 2000-5000 [2] [1] Avantages des MMC  Propriétés mécaniques spécifiques (Al/Mg + C)  Propriétés thermiques (conductivité, diffusivité)  Conditions d’utilisation (chocs, température,…)  T° de fusion acceptable vis-à-vis de nombreuses fibres et particules céramiques 4
  5. 5. Introduction • Composite fibres longues + matrice métal Matériau Densité g/cm³ Ténacité MPa√m Tmax °C Prix €/kg Aluminium coulé 2,5 18-35 130-220 1,3-1,43 Magnésium coulé 1,8 12-18 130-190 4,1-4,5 Résine époxy 1,1-1,4 0,4-2,2 140-180 2,0-2,2 [1] [3] Principales applications MMC Frottement/TCE : Al + SiC Inertie : Al + B4C Blindage : Acier + BN 5
  6. 6. MMC Al + fibres C (63 vol.%) Rigidité théorique atteinte Limite de décohésion : ~300 MPa (fibres HR) ~1000-1300 MPa (fibres HM) Introduction • Composite fibres longues + matrice métal [1] [5] MMC Mg + fibres C (63 vol.%) Rigidité théorique atteinte Limite de décohésion : ~1000-1300 MPa 6
  7. 7. Introduction Techniques de fabrication Squeeze Casting Exemple: 18 vol.% fC HR 𝜎𝜎𝑡𝑡𝑡 ≅400-600 MPa → Décohésion fibre/matrice 7
  8. 8. Introduction Injection sur une préforme Machine de thixomoulage Mg - Husky 650 (Sirris) Innovant, développement conjoint Sirris – ULg/MMS + Mecar : CMg/MMC 8
  9. 9. Cadre et objectifs du projet CMg MMC • 3 partenaires: – ULg-LTAS: matériaux métalliques – UCL-FSA-MAPR-UMAP: composites métalliques – Sirris: mise en œuvre du magnésium • 1 parrain industriel: • 1 pièce type: – Rigidité – Légèreté – résistance mécanique 9
  10. 10. Cadre et objectifs du projet CMg MMC • Objectif: développer un procédé d’imprégnation de fibres carbone par un alliage de magnésium • Structure du projet: 10
  11. 11. Moyens mis en œuvre (Sirris) • Equipements: – Presse de squeeze casting (UCL) 11
  12. 12. Moyens mis en œuvre (Sirris) • Equipements: – Presse d’injection Thixomolding (Sirris) 12
  13. 13. Moyens mis en œuvre (Sirris) • Equipements: – Machine d’imprégnation (Sirris) piston 13
  14. 14. Moyens mis en œuvre (Sirris) • Equipements: – Four de fusion Mg (ULg-Sirris) 14
  15. 15. Moyens mis en œuvre (Sirris) Préparation de préformes - estampage de petits disques de tissus carbone de 45 mm de diamètre - trempage dans un agent mouillant (éther) en solution aqueuse 0.5% - Séchage 100°C – 5 h - trempage dans la solution Al(H2PO4)3 - Séchage air (de 20°C à 350°C) - Traitement thermique sous N2 de 20°C à 700°C 15
  16. 16. Moyens mis en œuvre (ULg/MMS) Préparation de préformes - Découpage de 10 à 100 brins UD - Hydrolyse d’une solution contenant du TEOS (C8H20O4Si) et éthanol - Trempe des préformes et polymérisation à froid (T=70°C) d’un verre de silice Morphologie du dépôt Morphologie du dépôt (après oxydation) TGA/ATD du dépôt seul 16
  17. 17. Moyens mis en œuvre (ULg/MMS) Caractérisation Microscopie ATD/TGA (Netzsch STA 449) Grindosonic 𝜔𝜔𝑖𝑖 = 𝛼𝛼𝑖𝑖 2 𝐸𝐸 𝜌𝜌 1 𝐿𝐿2 𝐼𝐼 𝑆𝑆 Préformes C :  Température d’activation de l’oxydation  Perte de masse sous flux d’air ESEM SE ESEM BSE Fractographie Optique 17
  18. 18. Moyens mis en œuvre (ULg/MMS) Interactions micro-macro La limitation des propriétés mécaniques provient de plusieurs types de défauts: – Défauts d’imprégnation (vides, porosité) – Mouvement des brins – Endommagement des brins/fibres – Réaction métal/fibres 18
  19. 19. Résultats • Prétraitements Rigidification de la préforme (SG SiO2/phosp. Al) Augmentation de la tenue à l’oxydation des fibres T300 (SG SiO2) Effet du traitement sol/gel sur la tenue à l’oxydation (TGA/ATD) 19
  20. 20. Résultats • Préchauffage Plusieurs techniques mises en œuvre - Préchauffe simple (four) - Soufflage d’air chaud - Chauffage Joule (basse tension) i. Temps long ii. Oxydation importante iii. Dégradation des fibres i. Mise en œuvre complexe ii. Risques électriques Préchauffe simple (four) Chauffage Joule Technique Temps requis Température atteinte Four 1 à 3 minutes 250 à 1000 °C Soufflage 5 à 10 minutes 250 à 350 °C Joule 1 à 10 secondes 250 à 1500 °C 20
  21. 21. Résultats • Paramètres d’injection et de compactage Les paramètres (T, t, P) doivent être adaptés: - Température du métal maximale (600 °C) - Vitesse injection réduite, temps de maintien plus élevé (>1s) - Pression de compactage élevée (>30 MPa) 21
  22. 22. Résultats • Microstructures Sol/gel de silice Al(H2PO4)3 Préforme infiltrée par injection 22
  23. 23. Résultats • Propriétés mécaniques (Squeeze Casting) 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Young's modulus (GPa) Ultimate strength (MPa) ~30-40 vol.% fC T300 AZ91D P=70 MPa 23
  24. 24. Résultats • Module de Young (Injection) Echantillon Section relative de zone renforcée Taux de fibres réel Module apparent (E’, GPa) Module réel (E’, GPa) Module théorique (E, GPa) 1 0.22 0.51 58.66 116 122 2/3 0.24/- 0.49/- 58.38/43.4 109/43.4 119/45 4 0.19 0.53 54.56 106 125 5/6 ?/- ?/- ?/41.16 ?/41.16 ?/45 ~45-55 vol.% fC T300 AZ91D P=70 MPa Grindosonic Matériau Module de Young Fibre C T300 ~200 GPa AZ91D ~45 GPa 24
  25. 25. Conclusions (ULg) • Etude de traitements sur préformes (sol/gel SiO2, phosph. Al) sur la rigidification, la qualité d’imprégnation et la résistance à l’oxydation. • Démonstration de la faisabilité et définition de paramètres d’infiltration (T, t, P) par l’alliage Mg AZ91, d’éprouvettes préchauffées en fibres de C T300. • Mise en corrélation de propriétés micro/macro (résistance, rigidité) et étude des défauts. 25
  26. 26. Perspectives d’industrialisation • Imprégnation préforme carbone dans des conditions industrielles: – Maîtrise réalisation préforme C tridimensionnelle – Maîtrise « ensimage » fibres – Maîtrise préchauffage moule et préforme – Maîtrise maintien préforme dans moule – Réalisation d’un outillage fonctionnel • Réalisation de pièces • Validation des pièces par l’industriel 26
  27. 27. Perspectives d’industrialisation • Projet COMPOMAG 27
  28. 28. Références [1] CES Edupack 2009/2012 [2] Techniques de l’ingénieur, Propriétés des fibres de carbone, http://www.techniques-ingenieur.fr/base- documentaire/materiaux-th11/materiaux-composites-presentation-et-renforts-42142210/fibres-de-carbone- am5134/proprietes-des-fibres-de-carbone-am5134niv10002.html [3] Metal Matrix Composites: The Global Market, http://www.bccresearch.com/market-research/advanced- materials/metal-matrix-composites-market-avm012d.html [4] H. Dieringa et al., Magnesium Based MMCs Reinforced with C-Fibers, 2005, The Azo journal of materials. [5] C. Hausmann et al., Zur Kompatibilität verschiedener Al und Mg C-Faser-Systeme hergestellt mittels Squeeze Casting, 1999, Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde (Conférence sur les procédés MMS) 28

×