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Effets du froid, de l'humidité et des cycles de gel et de dégel sur les propriétés mécaniques des composites verre/époxy utilisés pour la fabrication de pales d'éoliennes

Cormier, Laurent (2009). Effets du froid, de l'humidité et des cycles de gel et de dégel sur les propriétés mécaniques des composites verre/époxy utilisés pour la fabrication de pales d'éoliennes. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’installation d’éolienne en milieu nordique comporte plusieurs défis d’envergure. Par exemple, la durabilité des composites utilisés pour la fabrication des pales n’y est pas garantie puisque les effets d’un tel climat sur ces matériaux sont mal connus. Ce projet vise donc à faire le lien entre les différentes théories actuellement proposées et de comparer leurs conclusions à des essais mécaniques sur des composites exposés à l’humidité, au froid et à des cycles de gel et dégel. Les composites utilisés sont moulés par infusion de résine et sont constitués de fibres de verre unidirectionnelles dans une matrice époxy. Les essais sont réalisés sur quatre familles d’éprouvettes, à température ambiante ainsi qu’à -40 °C. Ces familles sont divisées selon que les éprouvettes sont sèches ou saturées et qu’elles aient subi ou non 100 cycles de gel/dégel entre -40 °C et 40 °C. Des essais de traction, de compression et de flexion en poutre courte (ILSS) sont réalisés lors de ce projet.

Les résultats ont montré que les équations présentes dans la littérature ne prédisent pas adéquatement les modules et la résistance des composites exposés à des températures froides. D’une manière générale, les cycles de gel et dégel n’ont pas influencé les propriétés mécaniques des composites. Le froid a produit une augmentation de la résistance en traction et en flexion en poutre courte d’environ 20 % et l’humidité a dégradé ces mêmes propriétés d’environ 30 %. Les modules ne sont pas significativement influencés par les conditions d’essais. Des micrographies des surfaces de rupture de l’essai ILSS n’ont pas montré de changement significatif du mode de rupture en fonction des conditions environnementales, mais suggèrent que la résistance de l’interface fibre/matrice du composite était faible.

La comparaison des résultats obtenus avec ceux présentés dans la littérature fait ressortir le fait que le comportement à basse température est fortement lié à la nature de ses constituants ainsi qu’au procédé de moulage. Ainsi, pour des sollicitations en statique, certains composites pourraient être plus performants en milieu nordique, ce qui permettrait d’améliorer les produits s’ils sont spécifiquement conçus pour ce milieu.

Résumé traduit

Operation of wind turbines in a northern climate presents several challenges. For example, durability of composite materials, as those used in turbines blades, in such an environment is not guaranteed as the behaviour of these materials in severely cold regions is not completely understood. Therefore, the goal of this project is to confront actual theories to experimental results for mechanical properties of unidirectional glass fibres/epoxy resin composites exposed to moisture, cold temperature and freeze/thaw cycles. Tests were made on four sample families, both at ambient temperature and -40 °C. The families consisted of either dry or saturated specimens, of which half were further conditioned with 100 freeze-thaw cycles between -40 °C and 40 °C. Tensile, compressive and interlaminar short beam shear (ILSS) tests were conducted.

Results showed the inadequacy of classic theories for predicting strength and elastic constants of the specimens exposed to low temperature and/or moisture. Contrary to the results presented in most of the literature, freeze/thaw cycles did not change the strength and modulus of the test specimens. However, low temperature provides an important increase in strength while modulus is retained, if not very slightly raised. Strength improvements for tensile and ILSS tests provided an increase of around 20 %. On the other hand, saturation was responsible for a drop in strengths of around 30 % while only negligible decrease in modulus was recorded. There were no evidence of synergistic effects between moisture and low temperature. Micrographs of the ILSS fracture surfaces from all conditions were made and the fracture was always the result of fibre/matrix interface failure as few fibres were damaged or showed matrix still attached after fracture.

Comparison of the results with those presented in the literature shows that the behaviour of composites exposed to low temperatures or freeze/thaw cycles is very sensitive to the nature of the constituents and the moulding process of the parts. However, it is worth noting that some composites showed an increase in mechanical properties at low temperature, suggesting that designs specific to the northern climate could result in improved performances.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique". Titre du cédérom : Annexe V Programmes MatLab. Bibliogr : f. [181]-184.
Mots-clés libres: Éoliennes Conception et construction. Basses températures. Composites Propriétés mécaniques. Fibres de verre Propriétés mécaniques. Revêtement époxy Propriétés mécaniques. climat, degel, froid, gel, humidite, milieu, nordique, pale
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Joncas, Simon
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 17 août 2010 18:21
Dernière modification: 03 janv. 2017 20:59
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/32

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