Contribution La Caract Risation En Cyclage Hygrothermique D Un Mat Riau Composite
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Contribution à la caractérisation en cyclage hygrothermique d'un matériau composite
Les matériaux composites à matrice polymère sont sensibles à la température et à l'humidité relative. Dès lors que des applications structurales sont envisagées, il est nécessaire de contrôler la durabilité des propriétés mécaniques de tels matériaux sous l'effet de divers paramètres environnementaux. Le couplage de ces paramètres et la prise en compte de leurs évolutions sont indispensables, en particulier dans le cas de sollicitations cycliques. Le travail présenté dans le cadre de cette thèse porte sur une application aéronautique où un élément de structure de l'avion supersonique, stratifié carbone/époxyde IM7/977-2, est soumis à des conditions cycliques de température et d'humidité. Au cours des cycles de vol, la température varie entre -55°C, température de service en régime subsonique, et 130°C, température de service en vol supersonique. Le vol à haute température, 130°C, constitue une situation totalement nouvelle pour les matériaux composites à matrice polymère, communément utilisés dans les structures des jets subsoniques où la température de vol est typiquement de -50°C. L'objectif de ce travail est d'étudier l'effet des cycles de service de l'avion sur la durabilité du matériau.Une étude bibliographique exhaustive concernant l'influence de l'humidité sur la durabilité des composites a matrice polymère, ainsi que la modélisation de la reprise d'humidité a été présentée.Ensuite, nous avons identifié les paramètres de diffusion d'humidité du matériau IM7/977-2 selon le modèle de Fick, ainsi que les coefficients de dilatations thermique et hygroscopique. Une méthode basée sur l'identification tridimensionnelle de la loi de Fick a été proposée. Cette méthode permet d'identifier les paramètres sans nécessairement atteindre le palier de saturation et procure ainsi un gain de temps considérable. Nous soulignons l'effet de l'état mécanique interne du stratifié sur les paramètres de reprise d'humidité. Deux méthodes ont été utilisées pour aborder l'identification des coefficients thermo et hygro-élastiques, paramètres indicateurs de la stabilité de la structure en service.Un outil de calcul permettant de prédire les gradients de concentration en humidité, ainsi que l'état mécanique interne est ensuite développé et mis à profit afin de caractériser l'effet particulier de l'échauffement à 130°C, sur le matériau. Les simulations numériques montrent que les cycles de vol induisent sur le long terme un séchage progressif du matériau.Enfin, des cycles représentatifs, reproduisant en accéléré les mécanismes de déformation de service ont été définis. Une méthodologie simple et rationnelle est proposée. La réalisation de gradients impose notamment le choix de géométries et de conditions expérimentales appropriées, permettant d'atteindre un état hygro-mécanique donné en un temps réduit. Deux approches basées sur les gradients de concentration et les contraintes internes ont été proposées. La première approche nous a permis de modéliser des cycles accélérés, 60 fois plus rapides que les conditions de service. la deuxième approche qui tient compte du différentiel thermique de service nous a permis de modéliser des cycles accélérés, 25 fois plus rapides que les conditions de service. Ces cycles accélérés ont été utilisés au laboratoire afin d'étudier la réponse du matériau. Les essais expérimentaux ont montré une diminution de Tg la température de transition vitreuse d'environ 20°C, une évolution des propriétés mécaniques du matériau, ainsi qu'une fissuration du matériau spécifique aux cycles accélérés tenant compte des basses températures.
COMPORTEMENT HYGROTHERMIQUE DES COMPOSITES A MATRICE ORGANIQUE
LA PRESENTE ETUDE S'INSCRIT DANS LE CADRE DE L'ANALYSE DE LA DURABILITE DE SYSTEMES COMPOSITES A MATRICE POLYMERIQUE SOUS L'EFFET D'ENVIRONNEMENT HYGROTHERMIQUE. SON OBJECTIF EST D'APPORTER UNE CONTRIBUTION A LA COMPREHENSION ET A LA PREVISION DU COMPORTEMENT MECANIQUE DES COMPOSITES EN FONCTION DU VIEILLISSEMENT HYGROTHERMIQUE. LA PREMIERE PARTIE DE CE TRAVAIL CONCERNE L'ETUDE DE L'ABSORPTION D'EAU PAR LES MATERIAUX COMPOSITES. ELLE DEBUTE PAR UNE MISE EN EVIDENCE DU PROCESSUS D'ABSORPTION D'EAU PAR DES MESURES REALISEES SUR UNE LONGUE DUREE. UNE DISCUSSION SUR LES MECANISMES DE L'ABSORPTION EST MENEE AFIN DE MIEUX COMPRENDRE LA VARIATION PHYSICO-CHIMIQUE ET LA DEGRADATION MECANIQUE DES MATERIAUX. UNE ANALYSE STATISTIQUE EST EFFECTUEE SUR LES MESURES EXPERIMENTALES. ELLE CONDUIT A UNE PROPOSITION D'UN MODELE DE FICK MODIFIE EN INTEGRANT CERTAINS PARAMETRES STATISTIQUES PERMETTANT DE DECRIRE LES PROCESSUS D'ABSORPTION. LA SECONDE PARTIE EST CONSACREE A LA MODELISATION DU COMPORTEMENT MECANIQUE DES COMPOSITES VIEILLIS SOUS ENVIRONNEMENT HYGROTHERMIQUE. UNE APPROCHE EXPERIMENTALE EST D'ABORD UTILISEE, A PARTIR D'ESSAIS MECANIQUES, POUR OBTENIR LES CARACTERISTIQUES ELASTIQUES, LES CONTRAINTES ULTIMES ET LA TENACITE DE DIFFERENTS COMPOSITES NON VIEILLIS ET VIEILLIS, DONEES NECESSAIRES POUR DECRIRE LA DEGRADATION DES MATERIAUX. ENSUITE, APRES AVOIR IDENTIFIE LE PARAMETRE HYGROTHERMIQUE DOMINANT DANS LA VARIATION DU COMPORTEMENT MECANIQUE - CONTENU DE L'EAU ABSORBEE M, NOUS AVONS ETABLI LES RELATIONS EMPIRIQUES ENTRE CE DERNIER ET LES CARACTERISTIQUES MECANIQUES DES STRATIFIES ETUDIES. EN CONCLUSION, UNE APPROCHE ANALYTIQUE PERMET DE PREVOIR LA DEGRADATION D'UN STRATIFIE MULTIDIRECTIONNEL A PARTIR DES CARACTERISTIQUES DES PLIS ELEMENTAIRES, CETTE PREVISION AYANT ETE VERIFIEE PAR DES RESULTATS EXPERIMENTAUX.
Contribution à la compréhension des mécanismes de vieillissement hydrothermique de matériaux composites unidirectionnels polyester insaturé/fibre de lin
De nombreux exemples de matériaux composites obtenus par l'association de fibres végétales et de polymères ont permis des allègements conséquents de structures dans divers domaines d'application. Cependant, la question demeure quant de la durabilité de ces pièces en service, essentiellement par manque de connaissances sur le vieillissement des fibres végétales, sur leurs interactions avec la matrice polymère et sur le comportement hydrothermique des composites biosourcés au cours du temps. Dans cette étude, nous avons étudié les cinétiques et mécanismes de sorption du matériau composite afin d'appréhender son comportement hydrique lors des vieillissements hydrothermiques par immersion dans l'eau à 23°C et 70°C. Cette étude a mis en évidence l'influence des fibres végétales sur les grandeurs caractéristiques de l'absorption en eau du matériau composite : forte prise en eau, gonflement anisotrope. Elle a également permis l'identification des mécanismes de dégradation des fibres de lin ; le rôle très nocif des résidus d'écorce rappelle l'importance du rouissage et du défibrage sur les performances de ces fibres. L'étude du comportement des constituants et du composite confrontés à des vieillissements hydrothermiques a ensuite été entreprise afin d'identifier et quantifier l'influence de chacun des matériaux constitutifs, ainsi que leur synergie. Il en ressort que la détérioration des fibres de lin est la principale cause de l'abattement des propriétés mécaniques du matériau composite. Si une immersion à 23°C pendant 70 jours n'a que peu d'effet sur les propriétés mécaniques, l'élévation de la température à 70°C induit des endommagements importants dès 14 jours d'immersion. La destruction des parois cellulaires et la dégradation des interfaces fibre/matrice sous l'effet de la présence d'eau détériorent le transfert de charge matrice/fibre. La corrélation entre les vieillissements accélérés et naturel a fait ressortir une similitude entre le maintien pendant 70 jours dans l'eau à 23°C et l'exposition aux conditions naturelles pendant 24 mois ; l'immersion à 70°C s'avère trop sévère. Une solution d'amélioration serait d'accentuer le rouissage des fibres afin de supprimer davantage les composés pectiques de la lamelle mitoyenne et de la paroi primaire. L'élimination de ces composés facilement hydrolysables par l'eau permettrait de prétendre à une meilleure qualité de l'interface fibres/matrice tout au long du vieillissement.