Elaboration et caractérisation microstructurale et mécanique de composites à matrice aluminium renforcée de fibres de carbone
Institution:
Lyon, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
This research project was divided in two main tasks: the study of the elaboration process of metal matrix composites based on the infiltration of a carbon fiber preform by liquid aluminum using a gas pressure, the microstructural and mechanical characterization of the obtained composites. The aim was to define selection criteria of fibers, matrices and elaboration parameters, and to propose design rules of those composites based on the properties of reinforcements and alloys. The specifications of the process were studied during the first part of the project, and a casting equipment has been designed for the project. The second period was devoted to elaboration and characterization of unidirectional composites made from different carbon fibers and aluminum-magnesium alloys. This part of the study has shown strong links between interfacial bonding and tensile strength of composites, in longitudinal and transverse directions. A third phase was spent using fabrics as preforms in. Order to increase the transverse properties of composites. The main result obtained was a validation of the use of the classic cross ply elastic theory to predict the thermoelastic properties of bi-directional C/Al composites. The last part of the thesis was focused on the optimization of a unidirectional composite based on K139 ultra high modulus fiber and Aluminium-10% Magnesium industrial alloy, aiming to find the best compromise between longitudinal and transverse ultimate tensile strengths of the composite material. A comparison of physical models used to predict the strength of composites and a statistic analysis of experimental tensile test results related to processing parameters was done. At last, referring to the experimental results achieved, several routes were proposed to carry on the research and to use the C/Al materials in the aerospace industry.
Abstract FR:
Ce travail de thèse s'est articulé autour de deux pôles principaux la mise au point de l'élaboration de matériaux composites par infiltration d'une préforme de fibres de carbone par de l'aluminium liquide sous l'action d'une pression de gaz, la caractérisation microstructurale et mécanique des matériaux obtenus. Ceci dans le but de définir des critères de choix des constituants et des conditions opératoires du procédé, et de proposer des méthodes de dimensionnement de ces matériaux à partir des caractéristiques du renfort et de la matrice. Une première phase de l'étude a mis en évidence les spécificités du procédé retenu. Elle a été mise à profit pour rédiger le cahier des charges d'un moyen expérimental d'élaboration utilisé pour la suite du projet. Une deuxième phase d'élaboration et de caractérisation de composites unidirectionnellement renforcés avec différentes types de fibres et des alliages d'aluminium à teneur de magnésium variable a mis en évidence le rôle prépondérant de la liaison interfaciale sur les contraintes à rupture en sens longitudinal et en sens travers des matériaux considérés. Une troisième phase été consacrée à l'emploi de tissus afin d'améliorer les caractéristiques transverses. Cette partie a permis de valider l'emploi de la théorie classique des stratifiés pour la prédiction des propriétés thermoélastiques des composites C/Al. La dernière partie de l'étude a porté sur l'optimisation d'un composite unidirectionnel à matrice AG 10 renforcée par des fibres de carbone à très haut module K139, dans le but d'obtenir un compromis acceptable entre les contraintes à rupture en sens longitudinal et en sens travers. Une comparaison entre les modèles physiques de prédiction des contraintes et une analyse statistique des résultats d'essais mécaniques en fonction des conditions d'élaboration a été effectuée. Compte tenu de l'expérience et des résultats acquis, plusieurs voies ont été suggérées pour approfondir ce travail, et l'utiliser dans la construction aéronautique et spatiale.