Impedance analysis for cooking or health monitoring of composite carbon / epoxy structures: Towards intelligent materials for PHM composite structures
Analyse impédancemétrique pour le suivi de cuisson ou de santé des structures composites carbone/époxyde : Vers des matériaux intelligents pour le PHM des structures composites
Résumé
The high-performance composite materials based on carbon fiber are increasingly used in critical security areas (aeronautics and civil engineering) for the high mechanical performances as regards to their low density. They offer many benefits such as mechanical strength, mass and consumption reduction. Thus, it is important to know their characteristics during curing process or their use. With the aim to optimize their use or to control their integrity, efforts are employed by using several techniques to monitor their curing cycle or the health of the structures during the conditioning stage and the service stage. Beyond the existing methods of unique measurement of the resistance or the capacitance of the material, we present herein a technique of electrical impedance analysis to extract some specific material properties (resistance, capacitance, Impedance and argument) in order to know its behavior. As the microstructure of the material contains a conductor part (carbon fiber) and an insulator part (resin), a three-dimensional (3D) model of the electrical conduction in the material was established by using a network of a resistance RP connected in parallel with a capacitance CP (impedance Z) to describe the anisotropy of the material. Then, the thin flexible electrodes (flex) are inserted inside the material and the specific impedance measurement bench is developed to perform a real-time measurement of RP and CP or Z and θ. Spectroscopic impedance analysis of the studied samples informs about the intrinsic properties of material and shows a sensitivity of these electrical properties according to the curing cycle. Then the sensitivity to some physical parameters (temperature, deformations, etc.) will be demonstrated in order to provide necessary elements to know or predict the health of the material for SHM (Structural Health Monitoring) and PHM (Prognostics and health management) purpose.
Les matériaux composites, à fibre de carbone et à matrice polymère, sont de plus en plus utilisés dans des secteurs où la sécurité est critique (aéronautique, spatial, génie civil…). La connaissance et la maîtrise de leur processus d’élaboration et leur comportement sont d’une importance majeure. En effet le processus d’élaboration d’un matériau ou d’une pièce mécanique composite est différent de celui des matériaux classiquement misent en œuvre (acier, aluminium…). Il nécessite plusieurs étapes dont la maîtrise affectera les performances du matériau fini. Le contrôle de certains paramètres du processus (température, pression, temps) impacte les paramètres structuraux du matériau et permet donc d’optimiser ces procédés d’élaboration. Pour prédire les performances désirées il est nécessaire de connaitre l’état initial des matériaux au sein des pièces. En service, le comportement d’une structure en composite peut varier rapidement suite à certains phénomènes (impacts, chocs et vibrations, vieillissement…). Ces derniers peuvent induire des défauts (délaminage, ruptures des fibres ou fissuration de la matrice), visibles ou pas, qui dégradent les performances de la structure et affectent leur intégrité. Il est donc capital de connaitre et suivre l’état du matériau pendant sa cuisson et son utilisation en service. Cette étude présente nos travaux thèse, dans lesquels nous exploitons les propriétés électriques propres d’un matériau afin de le caractériser. La micro structure du matériau étant faite de conducteur (fibre de carbone) et d’isolant (résine), un modèle de la conduction électrique a été établi en utilisant un réseau de résistance (RP) et de capacité (CP) parallèles d’impédance caractéristique Z. Puis le matériau est instrumenté à cœur à l’aide d’électrodes minces et flexibles (flex). Une analyse de spectroscopie d’impédance est réalisée sur des échantillons en cycle de cuisson et en poste cuisson lors des tests mécaniques grâce un banc de mesure spécifiquement développé. Les résultats de l’analyse renseignent sur les propriétés intrinsèques du matériau et montrent une sensibilité de ces paramètres (Z, RP et CP) en fonction de l’évolution du cycle et des tests mécaniques. La méthode d’instrumentation électrique développée dans cette thèse présente des avantages de simplicité, robustesse, fiabilité, bas coût, l’instrument et la méthode sont utilisables à la fois pour le suivi de cuisson et de santé des structures. Il est donc possible de faire le Structural Health Monitoring (SHM) ou mieux encore le Prognostics and health management (PHM) dès le début du processus d’élaboration d’une structure composite. On peut alors parler de matériau intelligent qui, outre les performances mécaniques qu’il offre, intègre une détection in situ.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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