Interaction du PEKK et des composites PEKK/FC avec l'eau et le Skydrol - PASTEL - Thèses en ligne de ParisTech Access content directly
Theses Year : 2023

Interaction of PEKK and CF/PEKK composites with water and Skydrol

Interaction du PEKK et des composites PEKK/FC avec l'eau et le Skydrol

Abstract

Lightening aircraft remains a major issue for the aeronautics industry. The development of composites with thermoplastic matrices, replacing thermosetting ones, makes it possible to obtain weldable and recyclable materials, with a higher service temperature. This thesis is part of the PSPC HAICoPAS project, led by Hexcel and Arkema, whose goal is to design high-performance thermoplastic matrix composite tapes. The objective of this thesis is to evaluate the impact of water and Skydrol (a hydraulic fluid used in aeronautics) on the properties of CF/PEKK composites (carbon fiber reinforced polyetherketoneketone) and to identify the mechanisms responsible for potential loss of property. To answer this problem, the study concerns both the PEKK matrix alone and the CF/PEKK composite. The water transport mechanisms in the matrix as well as in the composite are determined by gravimetry. The different water transport parameters are measured in a temperature range of 30°C to 70°C, both in water immersion and by DVS, for relative humidities between 10% and 90%. The diffusion of water in the PEKK alone follows a Fick's law while a deviation from this law is visible at long times for the CF/PEKK composite immersed in water. The solubility of water in PEKK follows Henry's law. However, water absorption in the composite, as a function of relative humidity, is modeled by Henry's law coupled with a power law attributed to a “clustering” phenomenon taking place in the microcavities. The mechanical properties of the matrix and of the composite are little affected by water, which essentially induces plasticization of the matrix and which does not seem to affect the fibre/matrix interface. The immersion of CF/PEKK composite in the Skydrol reveals a quantity of fluid absorbed by the crossed composite [0/90] ten times greater than for the unidirectional layup. This result is the consequence of cavities of submicronic size created in the [0/90] composite in the form of decohesions at the fibre/matrix interface. These decohesions are present only at the level of the interply of the cross-ply composites (0/90, ±45° or quasi-isotropic). Their formation is attributed to the thermal shrinkage differential that exists between the carbon fibers and the PEKK matrix, causing a post-consolidation residual stress field upon cooling. These very localized damages do not affect the resulting mechanical properties in ILSS.
Alléger les avions reste une problématique majeure pour l’industrie aéronautique. Le développement de composites à matrices thermoplastiques, en remplacement des thermodurcissables, permet d’obtenir des matériaux soudables et recyclables, avec une température de service supérieure. Cette thèse s’inscrit dans le cadre du projet PSPC HAICoPAS, porté par Hexcel et Arkema, dont le but est de concevoir des nappes de composites à matrices thermoplastiques hautes performances. L’objectif de cette thèse est d’évaluer l’impact de l’eau et du Skydrol (un fluide hydraulique utilisé en aéronautique) sur les propriétés des composites PEKK/FC (polyéthercétonecétone renforcé en fibres de carbone) et d’identifier les mécanismes responsables des potentielles pertes de propriétés. Pour répondre à cette problématique, l’étude porte à la fois sur la matrice PEKK seule et sur le composite PEKK/FC. Les mécanismes de transport de l’eau dans la matrice ainsi que dans le composite sont mis en évidence par gravimétrie. Les différents paramètres de transport de l’eau sont déterminés dans une gamme de températures de 30°C à 70°C, à la fois en immersion dans l’eau et par DVS pour des humidités relatives entre 10% et 90%. La diffusion de l’eau dans le PEKK seul suit une loi de Fick tandis qu’une déviation de cette loi est observée aux temps long pour le composite PEKK/FC immergé dans l’eau. La solubilité de l’eau dans le PEKK suit une loi d’Henry. Cependant, l’absorption d’eau dans le composite, en fonction de l’humidité relative, est modélisée par une loi d’Henry couplée à une loi de puissance attribuée à un phénomène de « clustering » ayant lieu dans les micro cavités. Les propriétés mécaniques de la matrice et du composite sont peu impactées par l’eau qui induit essentiellement une plastification de la matrice et qui ne semble pas impacter l’interface fibre/matrice. L’immersion de composite PEKK/FC dans le Skydrol révèle une quantité de fluide absorbé par le composite croisé [0/90] dix fois plus importante que pour l’unidirectionnel. Ce résultat est la conséquence de cavités de taille submicronique créées dans le composite [0/90] sous la forme de décohésions à l’interface fibre/matrice. Ces décohésions sont présentes uniquement au niveau des interplis des composites d’empilements croisés (0/90, ±45° ou quasi-isotropes). Leur formation est attribuée au différentiel de retrait thermique qui existe entre les fibres de carbone et la matrice PEKK, causant un champ de contraintes résiduelles post-consolidation, lors du refroidissement. Ces endommagements, très localisés, n’impactent pas les propriétés mécaniques déterminées en ILSS.
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tel-04627245 , version 1 (27-06-2024)

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  • HAL Id : tel-04627245 , version 1

Cite

Gwladys Lesimple. Interaction du PEKK et des composites PEKK/FC avec l'eau et le Skydrol. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. HESAM Université, 2023. Français. ⟨NNT : 2023HESAE016⟩. ⟨tel-04627245⟩
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