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Dynamics of flow in porous media, towards an improved control of multi-functional fibrous composites processing and structure

English title Dynamics of flow in porous media, towards an improved control of multi-functional fibrous composites processing and structure
Applicant Michaud Véronique
Number 182669
Funding scheme Project funding
Research institution EPFL STI-DO ELB 114 (Bâtiment ELB)
Institution of higher education EPF Lausanne - EPFL
Main discipline Material Sciences
Start/End 01.12.2018 - 30.11.2022
Approved amount 620'812.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Material Sciences
Fluid Dynamics

Keywords (5)

Capillary effects; Liquid Composite Moulding Process; Functional materials; Composite materials; Multiphase flow

Lay Summary (French)

Lead
Les composites structuraux sont formés d'un assemblage de fins filaments rassemblés en mèches et d'une matrice polymère, infiltrée sous forme liquide puis solidifiée ou réticulée. Certains composites contiennent aussi des phases fonctionnelles, intégrées lors de la mise en oeuvre: capteurs, éléments modifiant la cinétique d'écoulement, le comportement thermique ou permettant une autoréparation du matériau. Même si cette technologie est déjà utilisée industriellement, les progrès sont limités par le manque de méthodes d'investigation "in-situ" de l'écoulement dans des systèmes réels, qui révèlent la topologie hiérarchique de l'espace poral, les effets capillaires en fonction de la température et de la cinétique, ou l'influence des phénomènes de percolation, qui sont présents dans certains régimes d'écoulement et leur confèrent des caractéristiques fractales.
Lay summary

Les composites structuraux sont formés d'un assemblage de fins filaments rassemblés en mèches et d'une matrice polymère, infiltrée sous forme liquide puis solidifiée ou réticulée. Certains composites contiennent aussi des phases fonctionnelles, intégrées lors de la mise en oeuvre: capteurs, éléments modifiant la cinétique d'écoulement, le comportement thermique ou permettant une autoréparation du matériau. Pour assurer une mise en oeuvre et des fonctionnalités optimales de la pièce, il est nécessaire de comprendre les mécanismes physiques aux multiples échelles, de la thermodynamique hors équilibre aux interfaces à l'écoulement dans les filaments et entre les mèches, jusqu'à la pièce entière. 

Même si cette technologie est déjà utilisée industriellement, les progrès sont limités par le manque de méthodes d'investigation "in-situ" de l'écoulement dans des systèmes réels, qui révèlent la topologie hiérarchique de l'espace poral, les effets capillaires en fonction de la température et de la cinétique, ou l'influence des phénomènes de percolation, qui sont présents dans certains régimes d'écoulement et leur confèrent des caractéristiques fractales.

Notre objectif est de quantifier et prédire la dynamique des écoulements dans les milieux poreux fibreux, en combinant trois approches complémentaires: (i) le développement de méthodes expérimentales dynamiques in-situ, optiques (fibres de verre), et par le biais de l'imagerie Rayon X à contraste de phase (fibres de carbone ou naturelles) pour capturer la saturation en temps réel; (ii) l'observation fine par tomographie X de microstructures figées lors de l'écoulement, grâce au développement de résines réticulant instantanément par radiation UV. (iii) le développement de modèles de percolation incluant les effets d'écoulement multiphasés dynamiques à forte séparation d'échelle.

Les résultats vont ouvrir de nouvelles possibilités pour la conception et la fabrication de matériaux composites structurels et fonctionnels pour la mobilité, la production d'énergie ou de produits de consommation.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.09.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Abstract

Composite materials are often made by flowing a pressurized viscous resin into the open pore space of a hierarchical fibrous network composed of filaments forming tows, assembled into textiles held within a shaped mold. Novel composite materials made by this process, called Liquid Composite Molding (LCM) often include additional solid phases which can act as functional elements, such as binders, toughening or healing agents, flow channels or thermally responsive inclusions, and can even add communication capability to the part, by introducing remote sensors. Given the complexity of the LCM process and its engineering importance, it has been widely investigated, both experimentally and by modeling. Current experimental methods rely on indirect or partial vistas into the process, given by macroscopic composite structure and property characterization in the final part, in-situ sensor data measuring local pressure, temperature or dielectric resin properties, or optical observations of liquid flow along the composite's surface during processing. These as well as most numerical modeling tools for this process are generally restricted to isothermal flow conditions in uniform porous textiles, and only recently started to take into account the progressive saturation of the porous medium. Progress in the field is hampered by a lack of available, precise time-resolved experimental validation data on real systems, that address the hierarchical pore space topology of the fibrous network at a micro-scale, temperature and velocity-dependent capillary effects characteristic of viscous flow at a larger scale, or the influence of percolation effects, which are present in certain flow regimes and give fractal characteristics to the flow front.The proposed research project thus aims to probe the dynamics of flow in fibrous porous media, as used in advanced composite materials, by addressing several main points: one is to further develop the in-situ experimental methods to analyze multiphase flow processing in composite materials, using advanced optical techniques when the reinforcement is transparent, or the novel X-Ray Phase Contrast Imaging to enable the macro-scale observation of dynamic resin flow patterns with thickness-averaged microscopic precision, in non-translucent carbon fiber reinforcements. These will be coupled with local observation of frozen microstructures using X-Ray Tomography, obtained by radiation cure of flowing photoinitiated resins. The multiscale in-situ experimental data thus generated will feed process models that account for multiphase fluid flow effects, extended to velocity-dependent capillary forces and hierarchical pore structures. In addition, these tools will be applied to the development of novel multifunctional composite microstructures, which introduce functional elements as a second phase to the structural fiber reinforcement, and participate as well in the process kinetics and part quality. Examples include polymer fibers or particles, which may enhance flow kinetics, then provide thermal management (phase change materials, or sacrificial fibers leading to channels), or damage management (providing toughness/healing). The combination of techniques to be developed in this project has the potential to break new ground in the production, and in turn the design, of modern multi-functional structural composite materials, with applications reaching to mobility, energy generation or consumer goods.
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