American Journal of Innovative Research and Applied Sciences. ISSN 2429-5396 I www.american-jiras.com                             ORIGINAL ARTICLE ANALYSE DE RESISTANCE A L’ABRASION D’UN MATERIAU COMPOSITE SABLE/POLYESTER POUR RENFORCER LES BORDS D’ATTAQUE DES PALES D’EOLIENNE ABRASION RESISTANCE ANALYSIS OF SAND/POLYESTER COMPOSITE MATERIAL FOR WIND TURBINE BLADE LEADING EDGE REINFORCEMENT | Levao Nantenaina Paulin *,1,2 | Ratsifaherandahy Flemond Dolin 2 | Mamiharijaona Ramaroson 1,2| et |Rajaonah Rabevala 1,2 | 1. Université d’Antsiranana | Ecole Supérieur Polytechnique | Laboratoire de Métallurgie et Chimie | B.P: O, 201, Antsiranana | Madagascar | 2. Universté d’Antsiranana | Ecole Supérieur Polytechnique | Laboratoire de Mécanique Appliquée | B.P : 0, 201, Antsiranana | Madagascar | 2. MATERIELS ET METHODES2.1 Matériaux utiliséesLe sable est un matériau provenant de la dégradation des roches sous l’effet des diversifications des agents atmosphériques. En général, la désintégration des roches granitique peut entraîner la formation des sables [7]. Il est constitué du quartz, des feldspaths, des magnétites et du mica. Le quartz a une dureté de Mohs 7 [8].  Le sable peut avoir plusieurs couleurs selon leurs origines et leurs environnements. Comme dans notre cas, on utilise le sable blanc. La figure ci-dessous montre l’échantillon de sable que nous étudions.Figure 1: Echantillon du sable blanc.La résine polyester est un liquide visqueux et incolore. La réaction entre un alcool polyhydrique et acide polybasique est à l’origine de la formation du polyester. La résine polyester peut se durcir en présence de 0,8 à 2% de prometteur octoate de cobalt, il peut se durcir aussi en présence de chaleur [9,10]. Après le durcissement, la réaction réversible est impossible. Cette résine est la plus utilisée pour fabriquer des matériaux composites, grâce à ses caractéristiques mécaniques, le module d’Young est de 3-4 [GPa], contrainte à la rupture est de 40-50[MPa], allongement à la rupture 1,5-2,2% et leur coût de 1,5 à 2 [€/Kg], moins chère par rapport aux autres résines. On peut mélanger le polyester avec des matrices et des fibres, comme fibre de verre, fibre de carbone et la fibre végétale [11,12]. Dans l’expérience, on utilise la cire d’abeille comme huile de démoulage. La cire sert pour faciliter l’enlèvement des éprouvettes dans les moules après le durcissement des composites. On mélange la cire d’abeille avec du pétrole pour ralentir leur durcissement.On utilise aussi l’acide chlorhydrique (HCl) et de l’eau pour éliminer les débris des éléments organiques pendant le lavage de sable.2.2 Matériels utilisésL’étuve est un appareil de séchage des matériaux utilisés dans le laboratoire. Dans cette expérience, on utilise une étuve ayant une capacité de chauffage de 40 à 220°C. La température de séchage est de 110°C pendant 24h. On utilise deux balances de précision, l’une pour mesurer la masse de l’échantillon de sable pendant l’analyse granulométrique avec la précision de 10-3kg. Et l’autre pour mesurer la perte de masse de l’éprouvette avant et après l’essai d’usure avec la précision de 10-2g.       Figure 2: Etuve de séchage.         Figure 3: Balance de précision 10-3kg.     Figure 4: Balance de précision 10-3g.On utilise des tamis de maille carré de dimension 75µm ; 150µm ; 300µm ; 425µm et 600µm pour sélectionner les grains de sables. Et, on confectionne une moule en bois de diamètre intérieur 25[mm].Pour faire un essai d’usure, on utilise une machine polisseuse DAP-V avec la vitesse de rotation maximale 600[tr/min].       Figure 5: Série de Tamis.                          Figure 6: Moule en bois.                   Figure 7: Polisseuse DVA-P.On utilise des papiers abrasifs en oxyde d’aluminium, avec la classification FEPA (Federation of European Producers of Abrasif). Avec cette classification, toutes les granulométries sont précédées de la lettre P. Dans cette expérience, on utilise des papiers abrasifs P150 ; P80 ; P50 ; P40 ; P36. [13].        Tableau 1 : Dimensions des grains abrasifs selon leur classeClassification d’un papier abrasifP150P80P54P40P30Grosseur des grains des abrasifs en [µm]75180300425600                                             Figure 9: Digital Micro.                       Figure 10: Equotip.Digital Micro 2.0 Scale est une caméra USB, portative et ayant des grossissements allant de 20 à 230 fois. Le fonctionnement de cette caméra exige une installation du logiciel Micro Capture. Nous allons utiliser cet appareil pour capturer les différents états de surfaces des éprouvettes avant et après essai. Equotip est un testeur de dureté portable d’un matériau. On utilise cet appareil pour détecter les différentes duretés d’une éprouvette avant et après essai.2.3 MéthodesUn échantillon de sable a été prélevé dans le site d’Ankoriko dans la région DIANA. La première chose à faire est de laver l’échantillon avec de l’eau mélangé de 5 à 10% d’acides chlorhydriques pour éliminer les éléments organiques. Pour sécher, on met l’échantillon dans une étuve pendant 24h à la température 105 à 110°C. Avant de faire l’analyse granulométrique, il faut mesurer la masse sèche de l’échantillon avec une balance. Et, on fait passer l’échantillon de sable dans une série de tamis de maille carré pour déterminer la quantité des différentes grosseurs de grains. Après, on mélange les sables bien définis avec une résine polyester pour avoir le matériau composite. Il faut varier la quantité du mélange sable/polyester suivant le pourcentage dans le tableau ci-dessous.Tableau 2 : Variation des quantités des mélanges sable/polyester.Teneur en sable95%90%85%80%75%70%Teneur en polyester5%10%15%20%25%30%Sable + polyesterM1M2M3M4M5M6On verse les différentes mélanges (avec 2% de prometteur) dans les moules préalablement lubrifiés avec de la cire d’abeille. Le but est de fabriquer des éprouvettes en sable/polyester. Ensuite, après 21jours de séchage, on réalise des essais d’usure par abrasion avec une machine polisseuse DAP-V, de vitesse 350[tr/min], avec la masse de pression 450g et avec différents papiers abrasifs. Mais pour trouver le mélange optimum, l’essai d’usure est réalisé avec des grosseurs de grain moyen de 300µm et avec le papier abrasif P54. Enfin, on test la dureté de chaque éprouvette avec un appareil Equotip avant et après l’usure. On trouve différents résultats cohérents.3. RESULTATS   3.1 Granulométrie D’après l’analyse granulométrique, on obtient la courbe suivante. ; Tableau 3 : Résultats d’analyse granulométrique.Ouverture de tamis en (mm)10,60,4250,3000,1500,075Passant total en (%)100%95%84%50%40%4%Figure11 : Courbe granulométrique d’un sable d’Ankoriko.On trace la courbe granulométrique par rapport aux pourcentages passants en fonction des ouvertures des tamis. Cette courbe nous montre que les quantités prépondérantes dans l’échantillon appartiennent aux grosseurs de grains 150µm et 75µm. Car, à partir de ces valeurs, la quantité de sables passants diminue c’est-à-dire le pourcentage de retenus augmente. Donc, le sable que nous avons étudié est classé dans le sable fin [7].Figure 12 : Grosseur de grain de sable.La figure (a) montre l’échantillon du sable blanc et brut, non encore sélectionné selon leur grosseur de grain. Et les autres figures (b ; c ; d ; e ; f) sont des sables avec leurs grosseurs de grains bien déterminées. Ces images sont obtenues à partir de DIGITAL MIRCROSCOPE, avec le grossissement 40fois.3.2 Mélange optimum : / / ; Figure 13: Influence de la quantité de sable/polyester à la résistance d’abrasion.D’après la courbe sur la figure 13, le mélange optimum c’est le M4 (20% résine + 80% sable), car avec M4, la perte de masse après l’usure est minimale. On applique ce mélange pour toutes les grosseurs de grains de sables.3.3 Résistance à l’abrasion On fabrique les éprouvettes avec le mélange M4 (20% polyester+80% sable). On représente dans les figures ci-dessous les éprouvettes de composites sable/polyester. Figure 14: Eprouvettes et leurs états de surface avant essai d’usure.a) : éprouvettes avec de 20% de résine et 80% du sable ; b) : Surface de l’éprouvette à 75µm de grain de sable ; c) : Surface de l’éprouvette à 150µm de grain de sable ; d) : Surface de l’éprouvette à 300µm de grain de sable ; d) : Surface de l’éprouvette à 425µm de grain de sable ; e) : Surface de l’éprouvette à 600µm de grain de sable.Les figures ci-dessus sont des éprouvettes et leurs surfaces avant l’essai d’usure. Maintenant, nous allons voir les résultats des essais d’usure selon les grosseurs de grain de sable et du papier abrasif. Dans cette partie nous analysons le défaut de masse de chaque éprouvette en fonction du temps, de la vitesse de rotation et de la masse de pression. Le temps d’usure est de 15min.Tableau 4 : Perte de masse des éprouvettes sur l’abrasion.Papier Abrasif Perte de masse des éprouvettes∆m 75µm∆m 150µm∆m 300µm∆m 425µm∆m 600µmP1500,040,030,020,010,01P800,080,050,030,020,02P540,280,090,070,050,03P400,310,10,090,070,04P300,340,240,20,170,1 / / ; ; ; ; ; Figure 15: Influence de la grosseur de grain des éprouvettes sur l’abrasion.Le diagramme dans la figure 3.3.2 : représente la perte de masse de chaque éprouvette avec leur grosseur de grain respective. Plus la grosseur de grain dans l’éprouvette augmente, la perte de masse diminue. Ce diagramme représente aussi l’évolution de perte de masse en fonction de la grosseur de grains du papier abrasif. Plus la grosseur de grain du papier abrasif augmente, la perte de masse augmente [14].Figure 16: Comparaison de l’état des Surfaces avant et après l’usure. ; La figure ci-dessus représente l’état de surface des éprouvettes de 600µm de grain de sable. Le S1, c’est l’état de surface avant l’usure. Les grains de sables sont enveloppés par la résine, il est brillant et réfléchissant quand on projette le rayon lumineux. Le S2, c’est l’état de surface après le frottement. Il est opaque et présente un faciès rugueux. Pendant l’étude expérimentale, nous remarquons que la vitesse d’usure d’une éprouvette diminue en fonction du temps. Pour bien comprendre ce fait, on réalise des essais d’une façon discontinue, avec un intervalle de temps de 3min. On mesure le défaut de masse tous les 3min et on reprend jusqu’ à cinq (05) fois pour avoir le temps total d’usure. On a la courbe suivante :Figure 17 : Comportement de la vitesse d’usure d’une éprouvette.La vitesse d’usure diminue lentement en fonction du temps. A un certain temps donné, la diminution s’arrête et l’usure prend son allure constante jusqu’à ce que le temps d’essai d’usure soit écoulé.4. DISCUSSION Dans cette étude, les matériaux que nous avons utilisés sont des matériaux locaux sauf la résine polyester. Tous les matériels utilisés appartiennent aux laboratoires de mécanique appliquée et laboratoire de matériaux. On utilise les tamis pour séparer les sables en cinq (05) quantités selon leurs grosseurs de grains.On choisit la résine polyester selon les critères suivants : module d’Young 3-4[GPa], contrainte à la rupture 40-50[MPa], allongement à la rupture 1.32.2% et leur coût moins chère 1.5 à 2[€/kg].On utilise le papier abrasif en oxyde d’aluminium parce que leur abrasif est plus dur que le quartz, la dureté du quartz est 7 tandis que celle de l’oxyde d’aluminium est 9. Donc, il est fort probable que pendant l’essai d’usure, les éprouvettes en sable soient érodées.La résistance à l’abrasion est déterminée à partir de la quantité des défauts de masses après l’usure. Dans notre étude, avec le même papier abrasif, la quantité d’usure de l’éprouvette diminue en fonction de l’augmentation des grosseurs de grains. Le composite sable/polyester est plus résistant en abrasion que le composite verre/polyester car la dureté de sable (grain de quartz) est supérieure à la dureté du verre. Pendant l’essai d’usure, on remarque que la vitesse d’usure de chaque éprouvette diminue en fonction du temps. La diminution d’usure est expliquée par l’existence d’un phénomène d’écrouissage.Il existe une étude comparative concernant l’usure par abrasion des composites polyester/fibre de verre et polyester/Kevlar [15]. Cette étude est réalisée avec les conditions suivantes : mélange de polyester/fibre de verre, 16% polyester et 84% de fibre de verre, l’autre 16% polyester et 84% kevlar. L’effort normal exercé sur l’éprouvette est de 4.5[N]. Cette éprouvette est de diamètre 9,5[mm] et 20[mm] de hauteur. Les autres paramètres sont : la vitesse de rotation 100[tr/min] ; le temps d’essai : 600 [secondes] ; le déplacement linéaire est 1,9[m/s] et les papiers abrasifs utilisés sont très fines 1500 et 1000. Cette étude a révélé des résultats suivants : 2,75×10-6 [mm3/mm] de perte en volume de composite polyester/kevlar. En convertissant en masse par millimètre, on trouve une perte en masse de 3,85×10-6 [mg/mm]. Pour le cas du verre/polyester on obtient 5,25×10-6 [mm3/mm] en perte volumique et la perte massique par millimètre est de 12,39.10-6 [mg/mm] [15]. Mais pour notre cas, les conditions expérimentales sont : mélange de 20% de résine polyester et 80% de sable, vitesse de rotation 350[tr/min] et effort normal sur l’éprouvette est de 4.5[N], le déplacement linéaire est de 3.66[m/s], le temps d’essai est de 900[secondes] et le papier abrasif utilisé est de P150, P80, P54, P40 et P30. On trouve le résultat d’usure 9,80×10-6[mg/mm] avec celle du papier abrasif P54 et éprouvette avec de grain de sable 300[µm]. Si on compare ces résultats, on trouve que la quantité d’usure de polyester/fibre de verre est supérieure à celle du polyester/sable. Pour le polyester/kevlar, leur quantité d’usure est inférieure à celle du polyester/sable mais avec des conditions très largement différentes. Le papier abrasif utilisé en sable/polyester est très agressif que celle utilisé en polyester/Kevlar. Et la vitesse de déplacement et le temps d’usure sont inférieurs que ce qu’on utilise dans l’usure de sable/polyester.Enfin, on réalise un autre test d’usure par abrasion avec éclat de verre, avec la même condition que le test d’usure du polyester/sable. On a le résultat dans le diagramme ci-dessous. / / ; ; ; ; ; ; Figure 18 : Diagramme de quantité d’usure entre éclat de verre et le composite sable/polyester.Ce diagramme montre la quantité d’usure d’un éclat de verre dans un temps bien déterminé. La perte de masse est supérieure à celle du composite sable/polyester. Donc le sable/polyester est plus résistant en frottement que le verre. 5. CONCLUSION D’après l’étude que nous avons réalisée, on trouve les résultats suivants :L’analyse granulométrique nous montre que la grosseur de grain la plus abondante est la grosseur de grain 150[µm] et après 75[µm]. Donc, on peut classer cet échantillon dans la catégorie de sable très fin. [7]Avec la quantité massique de 18 à 20% de polyester et de 80 à 82% de sable, le composite présente une force de liaison suffisante entre sable/polyester pour faire l’analyse tribologique. Donc le mélange est optimum avec ces quantités. En général, la performance tribologique de sable/polyester est largement supérieure que la fibre de verre/polyester, par raison de leur dureté.La performance en abrasion d’un éclat de verre sans résine est inférieure à celle du composite sable/polyester, avec la même condition d’essai d’usure.D’après les résultats précédents, on trouve un nouveau matériau composite à base de polyester et sable. Ce matériau a une bonne performance en abrasion, on peut l’utiliser pour faire protéger le bord d’attaque d’une pale d’éolienne aérogénérateur contre l’érosion du sable. Car le problème majeur d’un parc éolien aérogénérateur dans les pays désertiques et semi-arides est la détérioration prématurée d’une pale par l’érosion du sable [16]. La rugosité sur le bord d’attaque aussi provoque la chute de rendement [17]. On utilise ce nouveau matériau non seulement sur la protection du bord d’attaque, mais on peut également l’utiliser comme matériau de remplissage pour réparer un bord d’attaque érodé.6. REFERENCES [1]. REKBI Fares Mohammed. Contribution à l’analyse de l’endommagement des matériaux composites. These de doctorat en Genie Mécanique. Université Mohamed Khider – Biskra en Algerie. 2016.[2]. Muhtasim Kader Mukita, M. A. Gafurb, Sajib Anindab Dhar, Aninda Nafis Ahmed et Muhammed Yusuf Miahc. PREPARATION AND CHARACTERIZATION OF POLYMER CONCRETE FROM UNSATURATED POLYESTER RESIN REINFORCED WITH SAND. Conference paper, Decembre 2016. Available on: file:///C:/Users/nAnTe/Downloads/C132%20(1).pdf[3]. P. Mani, A.K. Gupta et S. Krishnamoorthy. Comparative study of epoxy and polyester resin-based polymer concretes. int.j.adhesion and adhesives. 3 July 1987. Available on: file:///C:/Users/nAnTe/Downloads/Documents/0143-7496-2887-2990071-6.pdf[4]. Yuxia Bai, Jin Liu, Yujun Cui, Xiao Shi, Zezhuo Song, Changqing Qi. Mechanical behavior of polymer stabilized sand under different temperatures. Construction and Building Materials. 5 July 2021 ; 290 : 123237. Available on: https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.123237[5]. N. Brunetiè. Introduction à la tribology. Institut Pprime Futuroscope, 2016. Accessed: Feb. 12, 2020. [Online]. Available on: https://cel.archives-ouvertes.fr/hal-03356326v2/document [6]. SENHADJI Salima. Etude expérimentale du comportement au frottement et à l’usure en contact plan du laiton et du bronze en milieu lubrifié. These de doctorat de l’Universite de paris. 19/04/2018. Available on: http://www.univ-usto.dz/theses_en_ligne/doc_num.php?explnum_id=2655[7]. TRAORE Brahiman. Elaboration and Characterization of Composite Materials made of Plastic Waste and Sand: Influence of Clay Load. International Journal of Scientific Engineering and Technology. July 2017; 6(7): 220-223. Available on: DOI:10.5958/2277-1581.2017.00024.9[8]. Eddine El Amrani El Hassani. Evaluation des propriétés physico-mécaniques des pierres de construction du Maroc à partir des vitesses des ondes P et de la résistance au choc. Bulletin de l’Institut Scientifique, Rabat, section Sciences de la Terre. 2009 ; n° 31 : 41-54. Janvier 2009. Available on: https://www.researchgate.net/publication/267714247[9]. Chedly Bradai, Tarak Bouraoui, Noura Hammed, Foued El Halouani. Réticulation et comportement mécanique d’une résine polyester insaturée pour differents taux de catalyseur. Ann. Chim. Sci. Mat. 2008 ; 33(4): 293-302. Available on: 10.3166/acsm.33.393-302 © Lavoisier. Paris[10]. L Adghem Chikouche Mohamed Djamel. Renforcement d'un polymère (polyester insaturé) par des fibres végétales (Arundo donax). These de doctorat, 23/01 /2016. Available on : http://dspace.univ-setif.dz:8888/jspui/bitstream/123456789/1673/1/These%20doctorat%20LADGHEM%20CHIKOUCHE%20Med%20Djamel.pdf[11]. Yves Perrot. Influence des propriétés de la matrice sur le comportement mécanique de matériaux composites verre/polyester utilisés en construction navalede plaisance - Cas des résines polyester limitant les émissions de styrène. Thèse de doctorat de l’université de Bretagne Sud, 28 Novembre 2006. Available on https://archimer.ifremer.fr/doc/2006/these-2485.pdf[12]. Narayanan S., Schadler L.S. Mechanisms of Kink-band Formation in Graphite/Epoxy Composites: a Micromechanical Experimental Study », Composite Materials and Technology. 1999; 59: 2201-2213. Available on: https://www.research.manchester.ac.uk/portal/files/61844494/FULL_TEXT.PDF[13]. Laura VERNHET. Transfert metallique lors des opérations de toilage à sec des aciers: effet des charges actives. Thèse de doctorat de l’école centrale de Lion. 09/0.72015. Avalable on: https://www.theses.fr/2015ECDL0016.pdf.[14]. Harsha AP, Tewari US. Tribological Studies on Glass Fiber Reinforced Polyetherketone Composites. Journal of Reinforced Plastics and Composites. 2004;23(1):65-82. doi:10.1177/0731684404029349[15] Jamal Jalal Dawood. A Comparison Between the Wear Rate Behavior of Polyester Reinforced by Glass and Kevlar Fibers. Eng &Tech. Journal. 2009 ; 27(11) : 2273-2285. Avalable on:  https://www.iasj.net/iasj/download/b33b888d2aacb2c4[16]. Ahmida Rezig, Ahmed Yousfi, Sylvain Fréour. Frédéric Jacquemin. Effet de l'érosion par des particules de sable sur la performance des pales d'éoliennes dans les zones arides et semi-arides. MATEC Web of Conferences 261, 05001 (2019). Avalable on : https://doi.org/10.1051/matecconf /201926105001[17]. Timmer W. A., Schaffarczyk A. P. The effect of roughness at high Reynolds numbers on the performance of aerofoil DU 97-W-300Mod. WIND ENERGY Wind Energ. 2004; 7(4):295–307. Available on: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/we.136