Composites auxétiques et en nid d'abeille multifonctionnels constitués de préformes en fibre de carbone tissées 3D

Rapports scientifiques volume 12, Numéro d'article : 22593 (2022) Citer cet article

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Les composites tissés tridimensionnels (3D) ont commencé à trouver des applications dans divers secteurs industriels, principalement dans l'aérospatiale et avec un potentiel dans l'automobile. Les tissus tissés en 3D peuvent être architecturés pour former des préformes complexes et presque nettes prêtes pour la fabrication automatisée de composites. Le tissu en nid d'abeille tissé en 3D est conçu pour inclure des fonctionnalités supplémentaires dans les composites finis, tels que les rapports de Poisson positifs et négatifs. Dans cette étude, des architectures complexes en nid d'abeilles ont été créées à l'aide de divers modèles de tissage pour démontrer les effets des comportements auxétiques lorsqu'ils sont fabriqués dans une structure composite. Un système de tissage 3D Staubli équipé de Jacquard UNIVAL 100 et d'un cantre de 3072 câbles en fibre de carbone 6k a été utilisé pour tisser l'architecture en nid d'abeilles conçue. À l'aide d'inserts en mousse de polyester dur, les tissus tissés en 3D ont été convertis en nid d'abeilles et préformes auxétiques. Ces préformes ont été infusées à l'aide de résine époxy pour fabriquer un ensemble de structures composites en nid d'abeille et auxétique. En comparaison avec la structure en nid d'abeilles de référence, il est prouvé que les composites auxétiques développés présentaient un coefficient de Poisson négatif de − 2,86 et − 0,12 dans le cas des tests de traction et de compression respectivement.

Les composites tissés 3D multifonctionnels ont la capacité d'absorber l'énergie par une défaillance progressive, tout en maintenant une décroissance progressive du profil de charge au-delà de l'apparition de la défaillance1,2. Par conséquent, ils sont d'un grand intérêt pour les situations où la capacité à résister à une charge de collision ou d'impact est une exigence de conception. Les composites tissés 3D commencent à trouver des applications dans divers secteurs, notamment les applications aérospatiales et automobiles. Plusieurs équipementiers et fabricants de niveau 1 étudient activement ces structures. Dans l'aérospatiale, les structures tissées 3D sont déjà utilisées dans les pales et les carters de ventilateur. Le développement est à un stade précoce et il existe de nombreuses possibilités d'améliorer les performances d'impact et d'optimiser le poids de la structure. Il est important que les structures de collision utilisées dans des véhicules tels que les voitures, les bus et les trains soient prévisibles avec précision et que la fabrication soit reproductible. Il existe également une opportunité d'utiliser le tissage 3D pour ajouter une fonctionnalité supplémentaire aux composites.

Le tissage 3D est une activité spécialisée et il existe très peu de centres capables de mener les recherches nécessaires. Les fabricants de textiles tels que DORNIER et STAUBLI fabriquent des machines à tisser 3D mais les tissus 3D pour les applications composites en sont encore à leurs balbutiements. Au Royaume-Uni, des entreprises telles que Siigmatex UK Ltd, M Wrights & Sons et Antich & Sons ont développé des capacités internes pour utiliser le tissage 3D, mais davantage de R&D sont nécessaires pour déployer une telle technologie tout au long de la chaîne d'approvisionnement. Récemment, l'Université de Sheffield AMRC a mis en place des capacités de tissage 3D qui seront utilisées pour combler le fossé et soutenir l'industrie.

Les préformes tissées 3D ont la capacité de démontrer la multifonctionnalité dans la fabrication de composites avancés. L'une des structures multifonctionnelles 3D est la fonctionnalité auxétique qui doit être étudiée et démontrée à l'industrie. Cela pourrait prendre la forme de structures extensibles de type nid d'abeilles3, qui pourraient être tissées et testées pour montrer la capacité et les performances mécaniques potentiellement améliorées avec une tolérance élevée aux dommages tels que les collisions, la compression et les chocs. La figure 1 explique ce que la structure auxétique est comparée à la structure en nid d'abeilles conventionnelle en termes de géométrie, c'est-à-dire qu'un matériau auxétique exposé à une tension augmenterait en dimensions dans la direction latérale à une force de traction appliquée. Une structure auxétique présente plusieurs avantages dans une situation de crash, par exemple une bonne absorption d'énergie, cependant, la fabrication reproductible d'une structure auxétique avec un comportement prévisible nécessite des travaux supplémentaires4.

Structures conventionnelles en nid d'abeille (a) et auxétique (b) sous tension.

Le coefficient de Poisson, qui est le rapport de la déformation normale à la charge appliquée à la déformation d'extension (ou déformation axiale) dans la direction de la charge appliquée. Le coefficient de Poisson (\(\nu\)) du matériau standard peut être exprimé comme :

où, εt = déformation transversale, εl = déformation longitudinale ou axiale, ∆L = changement de longueur, Lo = longueur initiale, ∆T = changement de largeur et To = largeur initiale.

La plupart des matériaux conventionnels présentent un coefficient de Poisson positif (PPR) sous des charges de traction car ils présentent des déformations longitudinales positives et transversales négatives, mais les matériaux intelligents comme les auxétiques se comportent de manière opposée et présentent un coefficient de Poisson négatif (NPR).

Il est connu que les matériaux conventionnels tels que le caoutchouc et les métaux se contractent latéralement lorsqu'ils sont étirés et se dilatent latéralement lorsqu'ils sont comprimés dans la direction longitudinale ; ces matériaux ont un PPR. En revanche, il existe certains matériaux spéciaux qui possèdent un NPR qui se dilate latéralement lorsqu'il est étiré ou se rétracte latéralement lorsqu'il est comprimé dans la direction longitudinale. Les matériaux avec NPR sont également appelés «auxétiques», qui provient du mot grec «auxetos» signifiant «ce qui peut être augmenté»5. Les auxétiques peuvent être des matériaux et/ou des structures, elles ont été étudiées dans la littérature sous différents angles tels que le développement de matériaux et de structures, la comparaison de comportements et le test de performances.

Par rapport aux matériaux conventionnels, les structures auxétiques ont de nombreuses propriétés améliorées. Ils ont un module de cisaillement plus élevé, donc une meilleure résistance au cisaillement. Les matériaux auxétiques ont des propriétés améliorées de résistance à l'indentation/impact et d'absorption d'énergie. Lorsqu'un matériau conventionnel est soumis à une force d'impact, le matériau s'éloigne du point d'impact, mais présentant le comportement opposé, le matériau auxétique s'écoule vers le point d'impact, ce qui rend les matériaux auxétiques plus difficiles à indenter. Ils présentent également d'autres avantages, tels qu'une meilleure ténacité à la rupture, une meilleure résistance à la croissance des fissures et une plus grande résistance à l'amortissement. En raison de ces avantages, les structures composites auxétiques pourraient trouver des applications appropriées dans la fabrication à haute valeur ajoutée, comme les secteurs de l'aérospatiale et de l'automobile. L'inconvénient des composites auxétiques est qu'ils peuvent être difficiles à fabriquer à grande échelle 5, mais cette difficulté a été contestée dans ce travail.

De nombreuses études ont été menées pour développer et étudier de nouvelles structures et matériaux auxétiques basés sur différentes échelles de matériaux. Les exemples incluent les fibres auxétiques6,7, les tissus auxétiques8,9, les mousses auxétiques10,11 et les composites auxétiques12,13. Les structures composites tissées auxétiques sont étudiées dans ce projet. Zhou et al.14 ont développé des composites auxétiques constitués de textile tissé orthogonal 3D et de mousse de polyuréthane. Ils prouvent que les composites auxétiques présentaient une NPR et se comportaient davantage comme un matériau amortissant avec une contrainte de compression plus faible, tandis que les composites non auxétiques se comportaient davantage comme un matériau plus rigide avec une contrainte de compression plus élevée. Dans une autre étude15, des structures tissées en 3D ont été produites et l'effet de la longueur flottante du tissage de fond et du fil de liaison sur l'auxéticité du tissu a été étudié. Un ensemble de différentes structures tissées orthogonales 3D a été produit sur un métier à ratière à lances en modifiant la longueur du flotteur dans le tissage de fond et les fils de liage. Les résultats ont montré que les matériaux tissés en 3D avec une longueur flottante égale et maximale du tissage de base et du fil de liage présentaient un comportement auxétique plus important. En outre, l'absorption d'énergie d'impact des composites développés s'est avérée augmenter avec l'augmentation de la longueur du flotteur, justifiant que les structures sont auxétiques et possèdent NPR. Zulifqar et Hu16 ont rapporté que le tissu tissé pouvait être auxétique grâce à une combinaison de tissage lâche et de tissage serré dans la même structure. Ils ont montré que les tissus développés présentent un effet NPR dans les sens trame et chaîne dans une large gamme de contraintes de traction.

Dans ce travail, un système de tissage 3D Staubli a été utilisé, y compris le jacquard Unival pour tisser des tissus en nid d'abeille 3D en utilisant des fibres de carbone Toray T300-6 k alimentées dans les directions chaîne et trame. À l'aide de mousse de polyester, les tissus tissés en 3D développés ont été convertis en deux préformes différentes : un nid d'abeilles conventionnel et de nouvelles structures auxétiques. Les préformes ont été infusées avec de la résine époxy pour fabriquer de grandes structures composites étudiées dans cette étude. Des essais de traction et de compression ont été effectués pour évaluer la fonctionnalité des structures composites en nid d'abeilles et auxétiques grâce à leurs mesures du coefficient de Poisson.

La fibre de carbone (CF), le système de résine thermodurcissable et la mousse dure de PET ont été utilisés pour préformer et fabriquer des structures composites. Leur grade et leurs propriétés sont donnés dans le Tableau 1 :

Selon le fabricant de résine, le T-Prime 130–1 a été mélangé à 100/27 en % en poids de résine/durcisseur pour infuser les préformes sèches.

Le logiciel de conception de tissage EAT a été utilisé pour concevoir une structure complexe en nid d'abeilles. Un diagramme schématique de la conception en nid d'abeille suggérée dans cette étude est illustré à la Fig. 2. La cellule unitaire de cette structure en nid d'abeille (Fig. 2) se compose d'un certain nombre de tissages unis de différents nombres de couches; tissage à une seule couche (A), tissage à deux couches (B, C), tissage à quatre couches (D) et tissage à trois couches (E).

Structure en nid d'abeille, (A, B, C, D, E) sont des armures unies de différents nombres de couches ; 1 couche (A), 2 couches (B, C), 4 couches (D) et 3 couches (E).

À l'aide du logiciel EAT, un système de codage couleur a d'abord été attribué, puis attribué aux différents motifs de tissage sélectionnés pour former la structure en nid d'abeille proposée. Le tableau 2 ci-dessous présente le nombre de pics et la densité de pics des différentes zones définies au sein de l'ouvrage conçu. La figure 3 montre les armures attribuées par EAT (zones rouges, jaunes et vertes) incluant le fichier JC5 du dessin en nid d'abeille installé pour le Jacquard UNIVAL 100.

Conceptions de tissage utilisées pour les zones de répétition (rouge, jaune et vert) indiquées dans le tableau 2 à l'aide du fichier de sortie JC5 du logiciel EAT.

L'objectif principal de cette recherche est de démontrer une structure composite tissée 3D qui peut présenter une fonctionnalité intelligente telle qu'une structure auxétique de NPR. La structure en nid d'abeille conçue dans cette étude (Fig. 2) est convertie en structure auxétique comme le montre la Fig. 4.

Structure auxétique.

Le système de tissage 3D (cantre, Jacquard, métier à tisser et table d'enlèvement horizontale) a été utilisé pour produire le tissu en nid d'abeille. Le système de tissage 3D (Fig. 5) a été enfilé avec 3072 câbles de fibre de carbone dans le sens chaîne et la même fibre a également été utilisée dans le sens trame. 16 extrémités par dent ont été tirées à travers le roseau. 128 extrémités (64 de chaque côté) des 3072 ont été chargées avec du fil de polyester (PET) et utilisées comme cordon de retenue de lisière pour verrouiller les deux bords du tissu tissé (Fig. 6).

Un schéma du système de tissage 3D.

La machine à tisser 3D en fonctionnement avec des fibres chargées à l'arrière (à gauche) et du tissu produit à l'avant (à droite) du métier à tisser.

Selon le tableau 2, des échantillons de tissus tissés en 3D de trois densités de duites différentes (6, 8 et 10 duites/cm) ont été fabriqués. La figure 7 montre une sélection de photos du tissu en nid d'abeille produit, des échantillons vierges à gauche et des coupes transversales ouvertes à droite.

Échantillons de tissu en nid d'abeille tissé en 3D.

Afin de minimiser les erreurs, les essais et d'économiser les matériaux, un insert/noyau en mousse souple a été utilisé pour préformer le tissu tissé dans les structures en nid d'abeilles et auxétiques avant l'infusion de résine. La structure de la préforme en fibres sèches a été réalisée pour tester sa formabilité et sa fonctionnalité, en particulier celle auxétique. La mousse a été découpée aux formes appropriées et a été insérée dans les poches en tissu. La structure en nid d'abeilles (Fig. 8a) a atteint sa forme de préforme ciblée relativement facilement, mais la préforme auxétique (Fig. 8b) avait besoin de supports supplémentaires (sous la forme de pinces en G) afin de conserver la forme.

Préformes de fibres sèches en nid d'abeille (a) et auxétique (b). Mesures de longueur et de hauteur au début (c) et à la fin (d) du test manuel de la préforme auxétique.

En tant que préforme sèche, la fonctionnalité de la structure auxétique a été testée pour confirmer son coefficient de Poisson négatif. Des instantanés (Fig. 8c et Fig. 8d) ont été capturés lors des tests de traction manuels. Les paramètres longitudinaux et transversaux tels que la longueur initiale (Lo) et la hauteur (To) ont été mesurés et mis en évidence sur les Fig. 8c,d. Les unités de mesure sont ignorées ici car la déformation est sans dimension et ces mesures ont été prises en ligne à l'aide d'une règle virtuelle. Les déformations longitudinales et transversales puis le coefficient de Poisson ont été calculés et répertoriés dans le tableau 3. Le coefficient de Poisson s'avère négatif (- 0,78) ce qui confirme que la préforme présente un comportement auxétique.

En raison de la grande complexité des structures tissées, la méthode d'infusion de résine et d'ensachage sous vide a été utilisée dans cette étude. Pour éviter d'écraser et de comprimer la mousse souple, utilisée ci-dessus sur la Fig. 8 pendant le processus de mise sous vide, une autre mousse PET dure et haute densité (Divinycell P150) a été utilisée pour préformer la structure en nid d'abeilles avant l'infusion. Les inserts en mousse ont été enveloppés d'un film anti-adhésif pour faciliter le démoulage après durcissement. La figure 9a, b, c montre un exemple de processus d'ensachage de préformes en nid d'abeilles comprenant l'infusion de résine de structures en nid d'abeilles et auxétiques. Un maillage d'infusion ou un matériau d'aide à l'écoulement de résine (bleu) a été utilisé pour favoriser l'écoulement en particulier à travers la préforme, comme illustré à la Fig. 9.

Processus d'ensachage de la préforme en nid d'abeille (a) et infusion de résine des assemblages en nid d'abeille (b) et auxétique (c).

La résine et le durcisseur Gurit T-Prime 130–1 ont été utilisés pour infuser les préformes tissées produites dans cette recherche. Le rapport de mélange de la résine au durcisseur utilisé dans ces infusions était de 100:27 en poids, comme prescrit par la fiche technique du fabricant. Le tableau 4 donne le rapport de mélange utilisé en grammes. Après dégazage du mélange pendant 10 min, l'infusion a eu lieu et s'est terminée en 30 min environ. Ensuite, l'ensemble a été déplacé dans un four préchauffé et durci à 60 ° C pendant 3 h. La figure 10 montre une sélection des structures composites en nid d'abeilles et auxétiques fabriquées.

Structures composites durcies en nid d'abeille (en haut) et auxétiques (en bas).

Des tests mécaniques ont été effectués pour déterminer le coefficient de Poisson pour les structures composites en nid d'abeilles et auxétiques fabriquées dans cette étude. Malgré les échantillons conventionnels tels que les coupons plats et cylindriques, il n'y a pas de méthodes standard disponibles pour déterminer le coefficient de Poisson de ces structures compliquées développées dans cette recherche. Des machines d'essai Instron ont été utilisées pour avoir un bon contrôle et déterminer avec précision les graphiques force-déplacement. Les deux structures composites sont soumises à des essais de traction et de compression dont les résultats sont détaillés dans les sections suivantes.

Avant le test, la longueur et la hauteur des échantillons auxétiques et en nid d'abeille ont été mesurées comme indiqué et indiqué à la Fig. 11. Un transducteur a été utilisé pour assurer une mesure précise et en ligne du déplacement transversal pendant le test. Les répétitions du test ont été enregistrées et deux captures d'écran ont été capturées pour déterminer les déplacements transversaux initiaux et finaux. Dans le cas de la structure auxétique, la figure 12 montre les positions de début (gauche) et de fin (droite) de l'essai de traction.

Configuration d'essai de traction des structures auxétiques (à gauche) et en nid d'abeilles (à droite).

Les positions de début (gauche) et de fin (droite) de l'essai de traction pour la structure auxétique.

La figure 13a,b montre les déplacements longitudinaux (L) et transversaux (T) maximaux de la structure auxétique enregistrés au cours de l'essai. En raison de la complexité et de la rigidité de la structure testée, on remarque que le transducteur a été légèrement dévié de la position d'origine au début du test (Fig. 13). Pour pallier ce désalignement, les mesures du déplacement transversal ont également été recodées à partir du fond de grille (papier millimétré). A partir des mesures effectuées et des figures ci-dessus, le tableau 5 liste les mesures obtenues. On constate que le coefficient de Poisson de la structure testée est de - 2,86, c'est-à-dire que le composite auxétique a présenté NPR dans le cas de l'essai de traction.

Déplacements longitudinaux (a) et transversaux (b) enregistrés dans le cas de l'essai de traction de la structure auxétique.

Dans le cas de la structure en nid d'abeilles, la figure 14 montre les positions de début et de fin de l'essai de traction. Les déplacements longitudinaux et transversaux de la structure en nid d'abeilles enregistrés lors de l'essai de traction sont illustrés à la Fig. le composite en nid d'abeille a présenté une PPR dans le cas de l'essai de traction.

Les positions de début (à gauche) et de fin (à droite) de l'essai de traction pour la structure en nid d'abeilles.

Déplacements longitudinaux (a) et transversaux (b) de la structure en nid d'abeille enregistrés lors de l'essai.

Dans le cas de la configuration du test de compression, une règle a été utilisée comme indicateur du déplacement transversal au lieu du transducteur utilisé dans le test de traction. Différents symboles ont été utilisés dans ce test en raison du changement de direction de la charge. Pour l'échantillon auxétique, la longueur d'origine est notée do qui mesurait 710 mm tandis que la hauteur d'origine ho mesurait 170 mm. Les dimensions de do et ho pour le nid d'abeilles étaient respectivement de 787 mm et 160 mm. Comme le montre la figure 16, une petite section a été mise en surbrillance sur la règle pour mesurer le déplacement dans le sens longitudinal. La figure 16 montre les positions de début et de fin du test de compression pour la structure auxétique. Le tableau 7 donne les déplacements mesurés, les déformations et le coefficient de Poisson du composite auxétique. On constate que le coefficient de Poisson de la structure auxétique testée est de - 0,12, c'est-à-dire que le composite auxétique a également présenté NPR dans le cas du test de compression. Il est prouvé que la structure composite auxétique a révélé NPR sous des charges de traction et de compression.

Les positions de début (gauche) et de fin (droite) du test de compression pour la structure auxétique.

En termes de structure en nid d'abeilles, la figure 17 montre les positions de début et de fin du test de compression. Le tableau 8 donne les déplacements mesurés, les déformations et le coefficient de Poisson du composite en nid d'abeille. On constate que le coefficient de Poisson de la structure en nid d'abeille testée est de 0,11, c'est-à-dire que le composite en nid d'abeille a également présenté une PPR dans le cas de l'essai de compression.

Les positions de début (à gauche) et de fin (à droite) du test de compression pour la structure en nid d'abeilles.

En résumé, il a été constaté que la structure composite auxétique présentait une NPP (− 2, 86 et − 0, 12), tandis que la structure en nid d'abeille présentait une PPR (8, 10 et 0, 11) sous les deux mécanismes de test (traction et compression). Mais dans le cas de l'essai de traction, le coefficient de Poisson obtenu pour les deux structures se trouve hors de la plage normale des matériaux standards (− 1 à 1) ce qui peut être dû aux structures spécifiques développées dans ce travail.

Des structures en nid d'abeilles 3D ont été tissées avec succès et l'utilisation d'un matériau de base de soutien (dans ce cas, de la mousse) était nécessaire pour permettre aux tissus tissés 3D secs d'être préformés et infusés de résine. En tant que fibre sèche, la préforme auxétique a été testée manuellement et sa fonctionnalité auxétique a été prouvée avec succès. Les préformes sèches (nid d'abeille et auxétique) ont été infusées avec de la résine époxy, puis les composites en nid d'abeille et auxétique durcis ont été testés avec succès à l'aide d'essais de traction et de compression. La structure en nid d'abeille présentait des coefficients de Poisson (PPR) positifs dans les deux sens de test (traction et compression), mais la structure auxétique présentait un coefficient de Poisson négatif (NPR) et présentait ainsi une fonctionnalité intelligente. Le concept de composites fonctionnels intelligents tissés en 3D a fait ses preuves et des composites tissés 3D multifonctionnels sont démontrés. Les valeurs du coefficient de Poisson obtenues pour les deux structures se trouvent en dehors de la gamme des matériaux conventionnels dans le cas de l'essai de traction.

Des travaux futurs sont recommandés pour fabriquer des panneaux génériques ou des démonstrateurs en composites nid d'abeille/auxétique et étudier leurs performances mécaniques à travers différentes réponses telles que des tests d'impact et de collision. De plus, le coefficient de Poisson très élevé pour la structure en nid d'abeilles sera exploré plus avant pour voir si cela peut être exploité dans de nouvelles applications.

Les données brutes des tests effectués dans cette étude sont disponibles sur demande et ici c'est un lien pour cela. https://galalauni-my.sharepoint.com/:u:/g/personal/h_el-dessouky_gu_edu_eg/EYDA59Z5qIFFi5TMy7ojhwwBk3HBbKsli6CgsxejJpz_nQ?e=IkEtdb.

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