Influence de la qualité de fabrication des composites

Caractéristiques des composites qui influencent la résistance à l’impact

Plusieurs auteurs ont proposé une liste de caractéristiques des composites qui favorisent leur résistance à l’impact. (Warren, 1996) et (Curtis, 1984) Tout d’abord, l’empilement 0, +/-45 des tissus produit des propriétés optimales et minimisent les dommages dus à un impact. Les fils verrouillés (Bundle interlocking) facilitent la résistance à l’impact. De plus, le choix des fibres est crucial car la capacité de celles-ci à emmagasiner de l’énergie élastique est fondamentale pour la résistance à l’impact dans un test à basse vitesse. Le diamètre des fils a aussi son importance, car plus celui-ci est petit, plus il y a d’énergie de déformation absorbée. Tant que le matériau peut emmagasiner de l’énergie de déformation, il résiste à la rupture. Il a aussi été rapporté qu’une surface pré-endommagée aura une meilleure résistance à la perforation car la surface a une meilleure conformabilité à un impacteur semi-sphérique. 15 (Warren, 1996) et (Lagace, 1991) De plus les fibres longues sont plus résistantes à l’impact parce qu’il y a une plus grande distribution de la charge.

Par contre, l’existence de fissure avant l’impact provoque une délamination sans le développement ou la propagation de nouvelle fissure. Par conséquent, seul un pré endommagement en surface est désiré. La matrice joue aussi un rôle très important dans la résistance à l’impact car elle représente souvent la faiblesse du composite. (Warren, 1996) et (Cantweell, 1991) Elle permet de protéger et stabiliser les fibres et d’avoir un transfert de charge uniforme sur celles-ci. Lorsque la matrice est endommagée, sa capacité à remplir ses fonctions se voit diminuée. Ses propriétés influencent l’initiation de l’endommagement, ce qui affecte la résistance à l’impact du composite. Pour cette raison, le processus de fabrication a une influence sur la résistance à l’impact des composites, car il joue un rôle important sur la qualité de la matrice. (Warren, 1996) Deux configurations de propagation de fissure peuvent être observées selon que la plaque est mince ou épaisse. (Lui, 1987), (cantwell, 1985) et (Warren, 1996) La Figure 2.2 représente la propagation de fissures et la délamination suite à un impact dans une plaque souple, c’est-àdire une plaque mince ou un matériau souple.

Lorsque la plaque est plus épaisse, elle devient plus rigide, ce qui provoque une rupture en cisaillement avec une plus grande absorption d’énergie, tel qu’illustré dans la Figure 2.3. Figure 2.3 Développement des fissures dans la matrice d’une plaque rigide. Tirée de Warren (1996, p. 86) La délamination se produit en raison d’une combinaison des contraintes de cisaillement interlaminaires, de séparation et de tension. L’augmentation de l’énergie d’impact engendre une augmentation de la zone de délamination et une diminution de la résistance en cisaillement interlaminaire du composite. La vitesse de propagation de la délamination approche la vitesse de l’onde de tension et elle semble indépendante de la force, de la masse et de la vitesse de l’impacteur. À titre d’exemple, la vitesse d’onde de tension d’un composite verre/époxy est de 225-300 m/s. (Warren, 1996) En résumé, plusieurs aspects affectent la résistance d’un matériau composite à l’impact. Tout d’abord, les contraintes interlaminaires sont contrôlées par la géométrie des échantillons, les conditions aux frontières et les conditions de chargement. D’autre part, la résistance du composite est déterminée par les propriétés des matériaux constitutifs.

Méthode du poids tombant

La méthode du poids tombant comprend une tour avec une hauteur variable et un impacteur de masse variable. (Trudel, 2000) et (Lui, 1987) La hauteur du poids tombant est ajustée afin d’obtenir la force d’impact désirée. L’énergie d’impact générée par cette méthode est décrite par l’équation (2-7). L’énergie d’impact peut être variée en modifiant, soit la masse ou la hauteur de l’impacteur. Afin de pouvoir quantifier la force appliquée à l’échantillon, une cellule de charge est installée sur l’impacteur. De plus, un détecteur de mouvement (cellule photoélectrique) peut mesurer la variation de la vitesse en fonction du temps. L’énergie absorbée est la différence entre l’énergie cinétique d’approche et de rebond. L’impact sur le matériau peut provoquer un rebond de l’impacteur. Afin d’éviter un second impact sur le matériau causé par un rebond, un dispositif anti-rebond peut être installé. Cette méthode est la plus utilisée par les auteurs afin de caractériser la résistance à l’impact d’un matériau composite. La dimension des échantillons ainsi que les résultats de l’impact représentent bien ce qui est observé sur des systèmes réels.

Une autre méthode peut-être utilisée afin de réaliser un effet semblable au poids tombant, soit l’impact par subperforation à faible vitesse. (Liu, 1987) L’échantillon est fixé sur un support métallique vertical et positionné perpendiculairement à un fusil à air. Un impacteur cylindrique est utilisé afin de générer l’impact. La pression du fusil à air est ajustée afin d’obtenir la vitesse et la force à l’impact désirées. Selon Liu, un impact par subperforation à faible vitesse varie entre 20 m/s et 100 m/s. Cette vitesse doit être contrôlée afin qu’il n’y ait pas de délamination ou de perforation au-delà de la zone de test, car le support métallique de l’échantillon pourrait interférer avec les résultats obtenus. Les vitesses d’approche et de rebond sont mesurées à l’aide d’une cellule photoélectrique.

La norme ASTM D3763-02 (2002) propose une méthode standard de test d’impact des plastiques, la méthode du poids tombant. L’impact peut être obtenu soit par gravité ou avec un système hydraulique, pneumatique ou mécanique. Cette norme spécifie des dimensions de la machine de test d’impact à respecter. La machine d’impact doit avoir un serre-joint fait de deux plaques rigides avec un trou central de 76,0 ± 0,4 mm. L’échantillon est maintenu dans le serre-joint avec une pression qui permet d’éviter tout glissement durant l’impact. Toujours selon la norme, l’impacteur doit être une tige d’acier et avoir un diamètre de 12,70 ± 0,13 mm avec une extrémité hémisphérique. L’impacteur est centré et perpendiculaire au trou dans le serre-joint. Les manufacturiers de machines d’impact à poids tombant respectent les spécifications de la norme ASTM D3763-02.

Mesure de la résistance à l’impact

Afin de pouvoir classifier la résistance d’un matériau composite à l’impact, il est possible de se baser sur une inspection visuelle de l’état résiduel de l’échantillon suite à un impact. (Trudel, 2000) et (Warren, 1996) Cette méthode permet de faire un classement grossier et éventuellement de sélectionner les échantillons à inspecter de manière plus approfondie afin de déterminer leur résistance. Une des méthodes utilisées par de nombreux chercheurs afin de déterminer la résistance à l’impact est l’analyse qualitative. (Lui, 1987) et (Lui, 1998) Celle-ci se divise en deux analyses possibles : le mode macroscopique et le mode microscopique. Le mode macroscopique consiste à mesure les indentations, les fissures en surface, la délamination et la perforation. Le mode microscopie permet d’observer le seuil de délamination, la cassure des fibres, la fissuration de la matrice, etc. Une autre méthode couramment utilisée et décrite par Trudel et Warren est de calculer l’énergie absorbée par l’échantillon. (Trudel, 2000) et (Warren, 1996) Les matériaux qui absorbent le moins d’énergie ont une meilleure résistance à l’impact. Cette méthode nécessite un détecteur de mouvement (cellule photoélectrique) afin de calculer la vitesse de l’impacteur à la descente et au rebond. L’énergie d’absorption est donnée par la différence entre l’énergie cinétique d’approche et de rebond. (LIU, 1987) Les équations suivantes expriment l’énergie d’impact (Trudel, 2000) :

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Table des matières

CHAPITRE 1 INTRODUCTION
1.1 Caractéristiques des tissus
1.2 Procédés de fabrication des composites
CHAPITRE 2 REVUE DE LA LITTÉRATURE
2.1 Types de tests d’impact
2.2 Impact à basse vitesse
2.3 Résistance et tolérance d’impact
2.4 Énergie dynamique dans les composites
2.4.1 Énergie emmagasinée
2.4.2 Énergie absorbée
2.4.3 Énergie dissipée
2.5 Caractéristiques des composites qui influencent la résistance à l’impact
2.6 Dommages suite à un impact
2.7 Tests d’impact
2.7.1 Méthode de Charpy
2.7.2 Méthode d’Izod
2.7.3 Méthode du poids tombant
2.8 Mesure de la résistance à l’impact
CHAPITRE 3 MÉTHODES EXPÉRIMENTALES
3.1 Matériaux
3.2 Fabrication des échantillons
3.3 Test d’impact
3.4 Caractérisation de l’endommagement
CHAPITRE 4 RÉSULTATS DES ESSAIS EXPÉRIMENTAUX
4.1 Influence de l’épaisseur du composite sur la résistance à l’impact
4.2 Influence de l’énergie d’impact
4.3 Mesures d’énergie
4.4 Caractérisation visuelle de l’endommagement
CHAPITRE 5 ANALYSE DE L’EFFET DES CARACTÉRISTIQUES DES RENFORTS
5.1 Influence de l’épaisseur des échantillons sur les résultats d’impact
5.2 Influence de l’énergie d’impact
5.3 Influence de la qualité de fabrication des composites
5.4 Influence de l’armure des tissus
5.5 Influence de la masse surfacique des tissus
5.6 Influence de la nature des tissus
5.6.1 Influence de la nature des tissus à masse surfacique égale
5.6.2 Influence de la nature des tissus à épaisseur égale et même armure
5.7 Comparaison des hybrides avec les non-hybrides
CHAPITRE 6 ÉTUDE DE PRODUITS SPECIAUX : RENFORTS PRÉ-IMPRÉGNÉS DE RÉSINE D’ÉPOXY ET RENFORT À RÉSINE INTÉGRÉE
6.1 Renfort pré-imprégné de résine d’époxy
6.2 Renfort à matrice intégrée
CHAPITRE 7 SYNTHÈSE ET RECOMMANDATIONS
CONCLUSION ET PERSPECTIVES
ANNEXE I ANALYSE VISUELLE DE LA RÉSISTANCE À L’IMPACT
LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES