Etude du délaminage en mode II de composites unidirectionnels soumis à des sollicitations rapides

Issue d’une alliance entre un “renfort fibreux” (fibre de verre ou de carbone) et un “liant” (résine dite époxy), le matériau composite offre des possibilités inédites dans le champ aéronautique. D’une densité deux fois inférieure à l’aluminium le plus léger des métaux, ce matériau a d’emblée permis des gains de poids considérables. “Sur les nacelles de l’A380, le gain peut être estimé à 1500 kg par rapport à des techniques traditionnelles. C’est autant de gagné pour la “masse marchande”, [GIRAULT 2009], souligne Patrick Girault, directeur de la Stratégie et du développement d’Aircelle. Outre leur légèreté, les matériaux composites organiques sont aussi de précieux alliés pour réduire le bruit et augmenter la fiabilité des équipements. Le gain peut aller de 10 à 20 Décibels. La technique consiste à équiper les moteurs d’une structure sandwich absorbante composée de deux “peaux” en matériau composite qui emprisonnent le bruit grâce à un système alvéolaire en “nid d’abeille”. Ces dernières années, les avancées en matière de simulation numérique ont entraîné des développements considérables dans l’étude des matériaux et de leur modélisation mécanique. A l’heure actuelle, la maîtrise du comportement mécanique de matériaux et de structures en composites sous sollicitations dynamiques constitue un champ de recherche vaste et complexe. Elle est la préoccupation majeure de plusieurs secteurs de l’industrie notamment le transport ou la défense. La modélisation des différents phénomènes physiques caractéristiques du comportement d’un matériau composite subissant une déformation joue un rôle primordial dans le dimensionnement de structures.

Positionnement du problème 

Matériaux composites

Les matériaux composites ont une longue histoire. Ils ne sont pas une nouveauté; ils sont été utilisés dès l’antiquité par l’homme; bois et torchis sont des matériaux composites de la vie quotidienne. On utilise aussi des matériaux composites pour optimiser les performances de certaines armes; par exemple: les arcs mongols, dans lesquels les parties comprimées sont en corne, et les parties tendus en bois, soies collées et tendons de bœuf. Les épées damassées ou sabres japonais dont la lame est en acier et fer doux: la partie en acier est stratifiée comme une pâte feuilletée, orientant les retassures et impuretés dans le sens long puis façonnée en U dans lequel on place le fer doux. Le sabre résiste alors à la flexion et aux chocs. On voit ainsi prendre forme, à cette époque, la dichotomie toujours actuelle des produits composites à grande diffusion et des pièces composites à hautes performances. Dans un sens large, le mot “composite” signifie “constitué de deux ou plusieurs parties différentes”. Un matériau composite est constitué de l’assemblage de deux matériaux de natures différentes, se complétant et permettant d’aboutir à un matériau dont l’ensemble des performances est supérieur à celui des composants pris séparément. L’appellation “matériau composite” ou “composite” qui sera précisée dans le cadre de cette thèse est: un matériau composite contient une phase discontinue de renfort plus rigide et plus résistante que la phase continue de la matrice. Par conséquent, ses propriétés mécaniques résultent essentiellement de:

• La nature des constituants et leurs propriétés.
• La géométrie du renfort (forme, élancement), sa distribution (répartition, orientation), ainsi que sa concentration (taux volumique ou massique).

La recherche de nouveaux matériaux composites plus performants pour les applications spatiale et aéronautique a suscité, depuis quelques années, un intérêt grandissant de la part des industriels dans les domaines du transport automobile et ferroviaire.

Classification des matériaux composites

La classification des matériaux composites peut être effectuée selon plusieurs façons. En fonction de la nature de la matrice, les matériaux composites peuvent se classer selon les trois familles suivantes:

• Composites à matrice polymérique: Ce type de composites a été développé surtout pour les applications aéronautiques où la réduction de masse est essentielle. Les polymères sont donc caractérisés par une faible densité, une résistance mécanique relativement faible, et une grande déformation à rupture.
• Composites à matrice métallique: Dans ces composites, la matrice est métallique comme l’aluminium ou le titane qui sont renforcés par des renforts généralement non-métalliques, souvent des céramiques. Leurs propriétés mécaniques sont donc meilleures ou plus adaptables au chargement que leurs matrices polymériques. Ils sont largement appliqués dans les fabrications des moteurs d’automobile.
• Composites à matrice céramique: Les matériaux céramiques telles que le verre et le carbure de silicium (SiC) sont utilisés pour la matrice de ce type de composite. La matrice peut être associée aux renforts comme des métaux, le carbone, et des céramiques. Ce type de composite est développé dans le but d’améliorer les propriétés mécaniques telles que la ténacité, et la résistance au choc thermique. Une manière plus utilisée consiste à les classer selon les types des renforts. Les composites sont donc divisés en quatre catégories suivantes:
• Composites à renforts de fibres: Les renforts de ce type de composites sont sous forme de fibres. La longueur des fibres est bien supérieure aux dimensions de sa section transversale. Selon leurs applications, les fibres utilisées prennent la longueur de la pièce (fibres continues) ou soit coupées en petite longueur (fibres courtes).
• Composites stratifiés: Le composite est constitué par au moins deux couches minces de matériau. Les couches peuvent être composées de différents matériaux monolithiques comme dans les métaux plaqués ou de même matériau composite empilé selon différentes orientations comme pour des stratifiés composites à renforts de fibres longues. Ce dernier devient une classe hybride du composite comportant à la fois le composite à renfort de fibres et la technique de stratification.
• Composites à renforts de particules: Le renfort est considéré comme une particule si toutes ses dimensions sont approximativement égales et petites devant les autres dimensions du matériau. Les particules dures sont dispersées aléatoirement dans la matrice moins rigide.
• Composites à renforts de paillettes: Les paillettes ont une dimension très faible par rapport aux autres dimensions. La dispersion de ces “particules minces” est généralement aléatoire. Cependant, les paillettes peuvent être rangées parallèlement afin d’avoir des propriétés plus uniformes dans le plan.

Constituants des matériaux composites

Dans la suite, nous nous intéresserons uniquement aux composites à renfort de fibres longues et à matrices polymériques utilisés, dans la plupart des cas, dans l’industrie aéronautique. Ces matériaux seront parfois appelés “composites fibreux” ou même “composite” par simplicité. Les propriétés mécaniques des composites fibreux sont directement liées à celles de leurs constituants: la fibre, la matrice, ainsi que l’interphase. La résistance et la rigidité d’un matériau composite sont assurées principalement par les fibres qui possèdent des caractéristiques mécaniques beaucoup plus élevées que la matrice. Cette dernière, quant à elle, réunit les fibres et donne la forme géométrique de la structure. La matrice sert également à transférer les efforts mécaniques entre les fibres et les protéger contre les environnements. L’interphase est la zone créée par l’adhérence et la réaction entre les fibres et la matrice. Elle possède des caractéristiques chimiques et mécaniques différentes de celles des fibres et de la matrice. La disponibilité d’un grand choix de fibres et de matrices permet de réaliser des composites ayant diverses propriétés. Nous présenterons rapidement quelques-uns des constituants les plus couramment utilisés.

Les fibres

La rupture des matériaux à hautes résistance ou à haut module est généralement provoquée par la propagation de fissures. Les matériaux en forme de fibre sont intrinsèquement plus résistants à la rupture qu’en forme massive car la taille des défauts est limitée par le diamètre faible. Dans un composite fibreux, la tenue mécanique est assurée principalement par les fibres. Par sa nature filamenteuse, la rupture de quelques fibres a pour résultat la redistribution du chargement sur les autres fibres, ce qui empêche la rupture catastrophique de la structure. Les fibres les plus souvent rencontrées dans les composites sont les suivantes:

• Fibre de verre: Ce type de fibre est très répandu dans des applications à basse performance ainsi que des applications haute performance telles que les réservoirs de propulseurs de fusée. Leurs avantages incluent un prix compétitif, une disponibilité, et une résistance élevée. Cependant, à cause de leur rigidité relativement faible, les fibres de verre sont progressivement remplacées par les fibres aramides ou les fibres de carbone dans les applications haute performance.
• Fibres de carbone: Actuellement, les fibres de carbone sont le plus répandues pour les matériaux composites hautes performances. Deux avantages principaux de ces fibres sont leur fabrication plus adaptée à la production à grande échelle que d’autres fibres hautes performances et leurs excellentes propriétés mécaniques plus facilement transférables aux matériaux composites. Leur prix reste toutefois prohibitif pour les produits grand public.
• Fibres aramides: Ces fibres appartiennent à la famille des fibres polyamides aromatiques. Elles possèdent une résistance élevée et une rigidité considérablement supérieure à celle des fibres de verre. La tolérance aux dommages est très bonne également. Leurs désavantages incluent une résistance en compression inférieure à celle des fibres de carbone et une adhésion relativement faible aux matrices.

Les matrice

La matrice réunit les fibres par ses caractéristiques cohésives et adhésives. Elle maintient les fibres dans leurs orientations et leurs positions prévues. Ses autres rôles consistent à distribuer les efforts entre les fibres, fournir une résistance à la propagation de fissure, et fournir toutes les résistances en cisaillement du composite. La matrice détermine en général la limite de la température d’utilisation et l’environnement de service du matériau. Il existe un grand nombre de polymères pouvant servir de matrice aux matériaux composites. Ceux parmi les plus utilisés sont les suivants:

• Les résines de polyester et de vinylester:
Ce sont les résines les plus utilisées de toutes les matrices, pour des applications commerciales, industrielles, et de transport. L’adhésion avec les fibres de verre est excellente. Les résines de polyester et de vinylester sont en majeure partie limitées aux applications basses performances à cause d’un problème d’adhésion avec les fibres hautes performances telles qu’en fibres de carbone et aramide.
• Les résines thermodurcissables:
Lorsqu’une résine thermodurcissable est soumise à une élévation de température, il se crée des relations chimiques au cours desquelles des liaisons covalentes sont formées entre les chaînes des molécules résultant en un réseau tridimensionnel. Le polymère final se présente sous la forme d’un corps solide et infusible. La polymérisation étant irréversible, ce matériau ne peut être mis en forme qu’une seule fois au moment de sa fabrication.

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Table des matières

Introduction générale
Chapitre I: Positionnement du problème
I. Chapitre I: Positionnement du problème
I.1. Matériaux composites
I.1.1. Classification des matériaux composites
I.1.2. Constituants des matériaux composites
I.1.3. Considérations sur l’usage des matériaux composites
I.2. Applications aéronautiques des matériaux composites
I.3. Mécanismes de rupture des composites unidirectionnels
I.3.1. Trois modes de rupture des matériaux composites unidirectionnels
I.3.2. Le délaminage: les phénomènes physiques associés
I.4. Mécanique de la rupture
I.4.1. Approche locale
I.4.2. Approche globale
I.4.3. Relation entre les deux approches
I.5. Approches du phénomène de délaminage des matériaux composites
I.6. Approches du phénomène de délaminage dynamique des matériaux composites
I.7. L’objectif de la thèse
Chapitre II: Matériaux d’étude, approche et moyens expérimentaux
II. Chapitre 2: Matériaux d’étude, approche et moyens expérimentaux
II.1. Introduction
II.2. Type des essais
II.2.1. Essais de délaminage
II.2.2. Choix du type d’essais
II.2.3. Essai CLS en statique
II.2.4. Essai de CLS en dynamique
II.3. Matériaux de l’étude
II.3.1. Le composite unidirectionnel carbone/époxy
II.3.2. Le matériau composite unidirectionnel verre/époxy
II.4. Machine d’essais de traction en grande vitesse
II.5. Système de mesure et d’acquisition des données
II.5.1. Introduction
II.5.2. Mesure de déplacements
II.5.3. Mesure de l’effort
II.5.4. Caméra rapide
II.5.5. Technique de mesure de champs locaux de déplacements
II.5.6. Outil de synchronisation des signaux
II.6. Campagne d’essais sur le matériau composite unidirectionnel carbone/époxy
II.6.1. Eprouvette de type CLS
II.6.2. Délaminage en mode II dominant
II.6.3. Protocole d’essai
II.6.4. Résultats expérimentaux et discussion
II.7. Campagne des essais sur composite UD verre-Epoxy
II.7.1. Eprouvette de type CLS
II.7.2. Obtention d’un mode II dominant
II.7.3. Protocole d’essai
II.7.4. Résultats et discussions
II.8. Conclusion du chapitre
Chapitre III: Méthodes de détermination de la longueur de fissure
III. Chapitre III: Méthodes de détermination de la longueur de fissure
III.1. Introduction
III.2. Outil coupe-fils
III.2.1. Principe de la méthode
III.2.2. Temps de réponse de la meure par Coupe-fils
III.3. Méthode de contraste
III.3.1. Généralité
III.3.2. Application de la méthode de contraste aux essais du matériau composites carbone/époxy
III.4. Une nouvelle méthode d’identification de la longueur réelle de fissure
III.4.1. Avantage en grande vitesse de la caméra rapide et de la technique de mesure de champs
III.4.2. Méthode d’identification de la longueur réelle de la fissure
III.4.3. Vérification de la méthode d’indentification proposée
III.4.4. Incertitude de la méthode d’indentification
III.4.5. Application de la méthode d’identification de la longueur de la fissure aux essais sur matériau verre/époxy
III.5. Conclusion du chapitre
Conclusion générale

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