Conférences plénières

Peter Davies, IFREMER

Composites marins à faible empreinte environnementale

L’industrie marine, comme beaucoup d’autres, se pose de nombreuses questions aujourd’hui sur son empreinte carbone et l’impact de ses activités sur l’environnement. Dans ce contexte, le choix de matériaux, l’analyse de leur durabilité et l’optimisation de leurs fins de vie sont devenus des axes de recherche importants. Les résultats de ces recherches sont en train de modifier fondamentalement notre vision de l’avenir de notre industrie, que ce soit pour les bateaux de plaisance, les navires ou les nombreuses structures qui nous fournissent nourriture et énergie (engins de pêche, énergies marines renouvelables…).

Dans un premier temps, cette présentation décrira brièvement l’évolution historique des matériaux composites utilisés en grande quantité en milieu marin. On constate une forte préférence aujourd’hui pour les fibres de verre imprégnées de résines thermodurcissables. Les options de fin de vie pour cette combinaison sont très limitées, mais des modifications de résine (résines époxy recyclables, résines bio-sourcées, résine d’infusion thermoplastique), ou de renforts (fibres bio-sourcées, basalte) peuvent s’avérer bénéfiques. Dans un second temps des exemples d’études de matériaux alternatifs seront présentés. Le bilan de ces changements et les perspectives pour l’avenir seront discutés en termes de performances mécaniques et d’Analyses de Cycle de Vie (ACV).

Peter Davies est chercheur et responsable du laboratoire SMASH (Structures, Matériaux Avancés et Sollicitations Hyperbares) au Centre Bretagne de l’IFREMER. Il y travaille depuis plus de 25 ans, suite à une thèse sur les composites à matrice thermoplastique et un post-doc à l’EPFL. Ses activités de recherche sont centrées sur la durabilité des polymères et composites en milieu marin.

peter.davies@ifremer.fr

Dominique Perreux, Université de Franche Comté, FEMTO-ST/DMA

Le rôle des composites dans la transition énergétique : l'exemple du stockage d'Hydrogène-Energie

Qu’y a-t-il de comparable entre une pâle d’éolienne et le réservoir d’une voiture à hydrogène en dehors que tous deux participent à la transition énergétique?  Ils ne seraient pas aussi efficaces s’ils n’étaient pas en polymère renforcé par des fibres hautes performances. Pour la transition énergétique, la production et le stockage d’énergie renouvelable sont des enjeux capitaux, et pour ces derniers les performances des composites sont nécessaires.

Dans cette présentation, on s’intéressera plus particulièrement au cas du stockage d’hydrogène, vecteur d’énergie qui apporte entre autres une solution pour la mobilité décarbonée. Parmi les différentes solutions de stockage, on discutera des différents types de réservoir sous pression en montrant les avantages et les difficultés qu’apportent les composites ainsi que le choix de ces derniers entre les types de fibres et les types de résines.

Enfin on s’interrogera sur l’avenir des besoins en matériaux en termes de volumes et en termes de performances pour réussir la part de transition énergétique qu’offrira l’hydrogène.

Dominique Perreux est Professeur de Mécanique et Matériaux à l’Université de Franche Comté à Besançon. Ingénieur de formation, après sa thèse il commence sa carrière chez Akzo-Nobel à Arhnem (Pays-bas) avant de rejoindre successivement, le CEA/DAM au Ripault, puis le CNRS (LMARC-Besançon), Georgia Tech à Atlanta(USA). En 2007 il cofonde MAHYTEC SAS, une société spécialisée dans la conception et la fabrication de systèmes de stockage d’hydrogène. Il sera le CEO/Chairman de l’entreprise jusqu’à son intégration au groupe Allemand HENSOLDT AG en 2021. Il conduit des recherches dans le comportement des composites plus particulièrement utilisés dans le domaine de l’énergie en s’intéressant à leur durabilité et leur endommagement.

Véronique Michaud, Laboratory for Processing of Advanced Composites, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne

Towards tough, healable and recyclable composite materials

Fiber reinforced thermoset composites (FRP) are found in many applications, including mobility, energy generation, or sport equipment. However, the brittleness of the thermoset matrix results in high sensitivity to small damage events through early matrix cracking. A commercially available approach to limit damage growth is to toughen the matrix by dispersing small rubbery or thermoplastic particles in the thermoset; however this tends to impact production processes, does not prevent costly repair operations, and these materials remain difficult to recycle. Thermoplastic based composites, on the other hand, gain market shares as they are more easily recyclable, but remain costly, or suffer from a lack of stiffness at moderate temperatures. A compromise can arise from the use of thermoplastic/thermoset blends, which, if the microstructure is well engineered, can lead to tough and damage tolerant materials, which can also be easily repaired and recycled, thus enhancing their potential for increased sustainability. 

We recently showed that healing matrices based on thermoset-thermoplastic (more specifically epoxy and polycaprolactone as the baseline model material) phase-separated blends demonstrated a large potential for heat-assisted repair. The thermoplastic phase expands upon melting at moderate temperature, filling (repeatedly) small cracks. When integrated to FRPs (through conventional liquid composite molding process), the developed healing matrix led to composites with similar stiffness and bending strength to that of pure epoxy composites, but also to good recovery of compression after impact strength for low damage extent. I will present some of the background of this research, now leading towards commercial applications, and recent developments in the assessment of damage extent and recovery, in glass and carbon fiber healable composites.

Véronique Michaud is currently Associate Professor, head of the Laboratory for Processing of Advanced Composites and Associate Dean of Engineering for Education, at the Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, in Switzerland. She graduated in 1987 from Ecole des Mines in Paris with an engineering degree, in 1991 from MIT with a PhD in Materials Engineering, and obtained a Research Habilitation from INPG in France in 1994. After a post-doctoral research stay at MIT, she spent 3 years at Ecole Centrale in Paris for teaching and research in the Laboratory for Materials, Structures and Soils Mechanics, before joining EPFL in 1997. Her fields of research address fundamental aspects of composite materials processing, often including economic and environmental aspects to lower the overall product footprint, as well as the development of smart materials and structures including self-healing, shape and vibration control and tailored damping. She is the author of more than 300 publications, out of which about 150 in peer-reviewed journals, and several patents. She is also the co-founder of the start-up CompPair Technologies SA, which was created in 2020.

Fabrizio Scarpa, University of Bristol

Métasurfaces programmables biosourcées et biomimétiques

Les caractéristiques de durabilité et de faible empreinte carbone deviennent de plus en plus importantes dans la conception des futures générations de structures adaptatives et métamatériaux. Nous décrivons dans cet exposé des approches pour développer des métasurfaces et des métastructures à l'aide de substrats de matériaux biosourcés, comme les composites hygromorphes à base d'époxy (standard et à mémoire de forme) et de fibres de lin/chanvre. Les metasurfaces et metastructures sont produites en utilisant des séquences d’empilement entre couches actives et passives. La contrainte hygroscopique générée par l'adsorption de l'humidité du milieu environnant fournit une autorité d'actionnement programmable dans les métasurfaces fabriquées avec ces composites biosourcés. L'utilisation combinée des effets de mémoire de forme de la matrice et du comportement hygroscopique des fibres naturelles, ainsi que l'ajout d'autres surfaces architecturales de matériaux intelligents, peuvent générer une famille de métasurfaces adaptatives programmables pour des applications allant de la robotique douce (‘soft robotics’ ), a’ la manipulation d'antennes adaptatives et de morphing de forme. Nous fournirons également des démonstrations sur la façon dont les métastructures et les actionneurs biomimétiques avec ces matériaux composites hygromorphes peuvent être produits par impression 3D/4D et des techniques de modélisation/conception pour obtenir des dépôts optimaux des matériaux biosourcés hygromorphes pour des cibles spécifiques d'autorité d'actionnement.

Fabrizio Scarpa est Professor of Smart Materials and Structures à l'Université de Bristol et responsable du thème des matériaux au Bristol Composites Institute. Fabrizio Scarpa a développe’ des classes d’auxétiques et d'autres métamatériaux mécaniques passifs et actifs depuis plus de deux décennies, ainsi que des bio- et nanocomposites durables. Fabrizio Scarpa est titulaire d'une bourse ERC H2020 Advanced Grant (101020715) sur les métamatériaux mécaniques neuroactifs naturels (NEUROMETA), et des projets H2020, Clean Sky 2, ONR Global, Dstl, Horizon Europe et UK EPSRC sur les biocomposites, les métamatériaux de morphing/changement de forme, et architectures de métamatériaux pour les systèmes musculaires artificiels internes. Fabrizio Scarpa est également l'auteur de brevets liés aux mousses auxétiques et aux métamatériaux pour l'amortissement des vibrations, ainsi que de plus de 420 articles de revues sur les thèmes des métamatériaux, des composites, des nanomatériaux et de la vibroacoustique.

PRIX VALENTIN

Aurélien Doitrand (2022)

Les travaux présentés aborderont la thématique de la fissuration de matériaux composites. D’une part, l’apport de modèles de description de l’amorçage de fissures pour la représentation des mécanismes d’endommagement dans les matériaux composites sera discuté, en se basant sur l’exemple de mécanismes tels que les décohésions fibre-matrice à l’échelle microscopique, la fissuration transverse ou la décohésion à l’échelle mésoscopique.

D’autre part, la présentation abordera la problématique d’identification et de classification des mécanismes d’endommagement à l’aide de l’émission acoustique. L’étude, basée sur des essais de caractérisation et la simulation numérique, se focalisera sur l’influence de la séquence d’empilement et de l’épaisseur des plis sur les signaux acoustiques émis par une fissuration transverse dans des composites stratifiés à fibres de carbone et matrice organique.

Diplômé de l’école des Mines de Saint-Etienne en 2013, et titulaire d’un doctorat de l’université de Brest en 2016, Aurélien Doitrand est maître de conférences à l’INSA de Lyon et conduit ses recherches au laboratoire MATEIS depuis 2019. Ses activités de recherche sont en lien avec la caractérisation et la simulation de la rupture pour la prévision de l’intégrité mécanique de matériaux et de structures. Ses travaux concernent la modélisation et la simulation multi-échelles de la rupture de matériaux composites ou architecturés, la caractérisation et la simulation de l’amorçage de fissures, et l’identification inverse de propriétés à rupture basée sur un dialogue essai-calcul.

Joël Serra (2021)

Projet VIRTUOSE (VIRTUaltesting ofaerOnauticalcompoSitesstructurEs)

Le dimensionnement et la certification des structures aéronautiques reposent sur le principe de la pyramide des essais. Des effets structurels apparaissent aux échelles supérieures, mais les essais du haut de la pyramide sont trop complexes et trop coûteux pour être étudiés en laboratoire. Il y a donc un besoin d'essais à l'échelle intermédiaire, peu couteux et simples à mettre en œuvre, représentatifs d'essais à plus grande échelle afin de simplifier la pyramide, de réduire les surdimensionnements et d’avoir des retours rapides sur de nouvelles technologies et/ou matériaux. Le projet VIRTUOSE (VIRTUaltesting ofaerOnauticalcompoSitesstructurEs) exploite un banc d’essai « VERTEX » qui permet l'application de chargements combinés de traction/compression-cisaillement-pression, sur une zone utile de 400 mm × 400 mm. Une méthodologie utilisant des chargements non proportionnels « enveloppe » vise à valider le « safe life domain »  d’une structure en un seul essai plutôt que d'évaluer les limites du domaine sain de la structure testée par de nombreux essais à rupture de chargements proportionnels. La première étape consiste à explorer les limites du domaine sain par des simulations et un critère de rupture numériques. Ensuite, un unique essai de "chargement enveloppe" (trajet hautement non-proportionnel en boucle fermée) vient longer la totalité de la frontière critique estimée numériquement. Si à la fin de l'essai l'éprouvette reste non endommagée, alors la totalité du domaine de chargement enveloppé est considérée comme sain. A ce jour, des structures composites thermoplastiques et thermodurcissables, entaillées, impactées et raidies ont été testés sur ce banc d’essai multiaxial.

Ingénieur diplômé de l’ISAE-SUPAERO et double diplôme “Aerospace Vehicle Design” avec l’Université de Cranfield en 2013, Joël Serra obtient son doctorat ISAE-SUPAERO en mécanique des structures composites en 2016 en collaboration avec AIRBUS GROUP INNOVATIONS.

Il rejoint ArianeGroup en 2017 où il est en charge de la justification de la tenue thermomécanique des assemblages boulonnés du lanceur Ariane 6. Il réalise ensuite un post-doctorat sur l’analyse des structures composites renforcées par Z-pins à l’Université de Bristol. A ce titre, Joël Serra collabore avec Rolls Royce sur les aubes de turbine (Cti Fan project).

C’est pour son projet Virtuose (VIRTUal testing of aerOnautical compoSite structurEs) que Joël Serra se voit décerner le prix de 1 million d’euros par la Fondation Lopez Loreta.
Il est, au sein de l’Institut Clément Ader, le coordinateur de ce projet de 5 ans démarré en mai 2019.