Joséphine a réalisé ses recherches dans l’équipe P3R du laboratoire Softmat, en étroite collaboration avec le Cnes et l’IRT Saint Exupéry.
Le 5 décembre, elle a soutenu sa thèse intitulée : « Composites à matrice vitrimère pour applications spatiales ».
Les composites à matrices polymère renforcés de fibres occupent une place prépondérante dans les applications hautes performances, en particulier dans le secteur aéronautique et spatial, en raison de leurs excellentes propriétés mécaniques et la flexibilité offerte par leurs procédés de mise en œuvre. Toutefois, leur dépendance vis-à-vis de matrices thermodurcissables constitue une limitation majeure : après réticulation, ces matériaux ne peuvent être ni réparés, ni remodelés, ni recyclés de manière efficace, ce qui génère d’importants déchets de production et compliquant leur gestion en fin de vie.
Dans ce contexte, cette thèse s’intéresse aux vitrimères, envisagés comme alternatives durables et performantes aux thermodurcissables classiques. Les vitrimères allient les performances mécaniques des thermodurcissables à la reprocessabilité et à la réparabilité propres aux thermoplastiques, constituant ainsi une étape clé vers l’économie circulaire des composites avancés. L’approche proposée couvre l’ensemble de la chaine de valeur, depuis la caractérisation fondamentale du matériau jusqu’à son intégration dans des procédés industriels, en passant par son évaluation environnementale.
Dans un premier temps, l’étude s’intéresse à la chimie et à la cinétique de réticulation d’un système époxy-amine conduisant à la formation d’un réseau vitrimère dynamique à base de liaisons disulfure. Les résultats montrent qu’un excès de 20% d’amine au sein de la formulation accroit significativement la réactivité en comparaison à une formulation stœchiométrique. Des diagrammes Temps-Température-Transformation ont été établis afin de décrire la cinétique de réticulation et d’optimiser les fenêtres de mise en œuvre. L’augmentation de la proportion de liaison disulfure a également amélioré la capacité de remodelage du matériau.
Dans un second temps, les matrices vitrimères ont été adaptées à des procédés industriels de mise en forme composite, notamment l’enroulement filamentaire et la production de pré-imprégnés. Des propriétés conformes aux standards aérospatial (E = 300 GPa, σ = 1500 MPa) ont été obtenues pour des composites réticulés en autoclave. De plus, des cycles de réparation ont permis de réduire la porosité de 27 % à 4 % dans des composites défectueux réticulés en étuve. La possibilité de remodeler des composants non conformes en de nouvelles géométries a également été démontrée, soulignant leur aptitude à être intégrés dans une logique d’économie circulaire.
En parallèle, des préimprégnés vitrimères ont été produits avec une teneur en résine de 50 %. Un préimprégné, stable à température ambiante, a en outre été développé, supprimant la nécessité du stockage à froid. Les vitrimères ont par ailleurs montré une capacité remarquable à relaxer les contraintes induites par le procédé, réduisant de moitié la courbure observée dans des stratifiés asymétriques.
Enfin, les performances des composites vitrimères ont été évaluées pour des applications spatiales à travers des essais sous vide, d’irradiation et de cyclages thermiques. Les matériaux ont présenté un faible dégazage comparable à celui des thermodurcissables aérospatiaux classiques, ont résisté à l’irradiation électronique avec une élévation de Tg de 175 °C à 190 °C, mais ont échoué lors de cyclages thermiques dépassant la Tg. Cette dernière apparaît ainsi comme une contrainte de conception déterminante.
Dans l’ensemble, cette recherche démontre la viabilité des composites vitrimères en tant que matériaux performants, industrialisables et adaptés à des environnements sévères tels que le spatial. Elle met toutefois en évidence le rôle critique de la Tg comme facteur limitant. En établissant un cadre intégrant à la fois la compréhension chimique, l’industrialisation et l’évaluation environnementale, ce travail positionne les vitrimères comme une avancée majeure vers la prochaine génération de composites durables.
Faits marquants de la thèse :
- Joséphine a fait des présentations orales dans de nombreuses conférences (ICCM24, IMP Days 2024, 30 ans de l’ICT en 2024 , COMET Matériaux & Structures en 2024, COMET Matériaux & durabilité en 2023) et a été primée pour sa présentation orale lors des Journées GFP Sud-Ouest 2024 ;
- un article relatif à ses recherches a été publié dans le journal ACS Applied Polymer Materials.
Félicitations à Joséphine pour la qualité de son travail !