Thermoplastic Composites for Underwater Applications

Les matériaux composites utilisés actuellement en mer sont presque tous fabriqués avec des résines thermodurcissables (polyester, époxy). Il existe aujourd’hui une alternative aux matrices thermodurcissables: les matrices thermoplastiques (PP, PA, PPS, PEEK…). Celles-ci offrent la possibilité d’une mise en forme par chauffage local associée à des propriétés mécaniques très intéressantes et un recyclage possible en fin de vie. Les raisons pour l’adaptation lente de ces matériaux est qu’ils nécessitent une mise en œuvre complètement différente du fait de leur microstructure particulière et du manque d’expérience sur ce type de matériau pour des structures épaisses. Le but de ce projet est de designer, fabriquer et tester une enceinte en composite thermoplastique pour des profondeurs de 4500 mètres, afin d‘établir l’intérêt technique, écologique et économique de ces matériaux sur ce marché. De nombreux matériaux existent mais des questions se posent concernant la sensibilité à l’eau de matériaux composites moins chers comme le C/PA6, plus particulièrement sur son effet sur les propriétés mécaniques. Dans cette étude, un modèle de diffusion spécifique a été développé et des relations semiempiriques ont été proposées pour prendre en compte l’effet du vieillissement sur les propriétés mécaniques. L’effet des conditions de fabrication a également été étudié en détail et les résultats ont montré qu’il y avait un effet important de la mise en œuvre sur les propriétés. Enfin des cylindres épais en C/PA6 ont été fabriqués puis testés jusqu’à implosion. Les résultats ont montré qu’il était possible d’utiliser ce type de matériau pour des applications sous-marines car ceux-ci ont implosé à des pressions supérieures à 600 barThe composite materials used at sea are today nearly all based on thermoset resins (polyester, epoxy). However, there is an increasing number of thermoplastic matrix polymers available on the market (PP, PA, PPS, PEEK…), which offer possibilities for forming by local heating, attractive mechanical properties and the potential for end of life recycling. The reasons for the slow adoption of these materials are that they require a completely different manufacturing route compared to the current materials, they have more complex microstructure, and that there is little experience with them, particularly for thick structures. The aim of this study is to design, manufacture and test thermoplastic composite pressure vessels for 4500 meter depth, in order to establish a technical, economic and ecological assessment of the use of these materials to replace traditional composites underwater. Various material options exist but there are questions concerning the water sensitivity of less expensive thermoplastic composites (C/PA6) for these applications, more especially concerning its effect on the mechanical properties. In this study, a specific water diffusion model has been developed and semi-empirical relationships have been proposed to account for the effect of water on the mechanical properties. The effect of processing conditions have also been addressed and have shown a strong effect on the mechanical properties. Finally, thick thermoplastic cylinders were manufactured and tested until implosion. Results showed that it is possible to use C/PA6 thermoplastic composite cylinders for deep sea applications as these imploded at pressures higher than 600 bar