Comportement mécanique et vibratoire des composites stratifiés sains et endommagés par délaminage

Depuis l’apparition des premières pièces en résine renforcée de fibres de verre, les composites se sont énormément développés et impliqués dans de nombreux secteurs exigeant en parallèle rigidité et légèreté tels que les transports, la marine, l’aéronautique, le sport et la loisir, le génie civil et l’armée. L’un des avantages majeurs des composites stratifiés est la capacité d’orienter les fibres de chaque pli afin d’orienter les propriétés mécaniques performantes permettant de résister aux sollicitations imposées.

Malgré d’excellentes propriétés mécaniques dans le plan, les stratifiés présentent un problème propre aux matériaux réalisés par stratification : la possibilité de la rupture inter laminaire. Ce mécanisme de rupture se caractérise par un décollement ou une décohésion entre les plis du stratifié. Il est couramment appelé le « délaminage ». Des études concernant les mécanismes de rupture des composites stratifiés indiquent que le délaminage des couches est un des modes d’endommagement le plus observé dans les stratifiés et qui pose le plus de problèmes aux concepteurs. En effet, il peut survenir à des niveaux de chargement relativement faibles, et la sensibilité d’un stratifié au délaminage est difficile à estimer. La présence de ce type d’anomalie affecte le comportement local et global du matériau composite que se soit en statique ou en dynamique. Il subsiste néanmoins beaucoup d’incertitudes sur ce phénomène, et la prévention du délaminage passe encore par le surdimensionnement engendrant inévitablement à des surcouts élevés. Dans ce contexte, ce travail de thèse s’impose pour étudier l’influence du délaminage sur le comportement des composites en statique et en dynamique.

Matériaux composites et leurs constituants 

Les matériaux composites sont constitués de l’assemblage de matériaux de natures différentes, afin d’avoir un matériau ayant des performances supérieures à celui des composants pris séparément [1]. D’une manière courante, les composites stratifiés sont définis comme l’association d’un renfort et d’une matrice. Le résultat obtenu par cette association est un ensemble plus au moins hétérogène et anisotrope. Les propriétés du composite élaboré dépendent du choix du renfort, de la matrice et du type de procédé de fabrication des composites. Les matériaux composites peuvent être classés suivant la nature du renfort (particules ou fibres) et suivant la nature de la matrice [2].

Renfort 

La rigidité du matériau est assurée principalement par le renfort, qui possède des caractéristiques mécaniques beaucoup plus élevées que celles de la matrice. Ces fibres sont des filaments de diamètre variant entre 5 et 20 μm. Il existe plusieurs types de fibres parmi lesquelles les fibres synthétiques les plus utilisées sont les fibres de verre, de carbone et d’aramide.

➤ Les fibres de verre sont les plus utilisés depuis les années quarante dans la construction de structures composites grâce à leur excellent rapport performance/prix [3]. Les filaments de fibre sont obtenus par filage de verre en fusion à travers des filières en alliage de platine. Le module d’Young de ces fibres, voisin de celui de l’aluminium, rend l’utilisation des fibres de verre intéressante lorsqu’elles sont associées à une matrice de faible rigidité telle que les polymères. En général, le plus grand problème associé à ces fibres est leur haute sensibilité aux endommagements superficiels, en particulier les rayures qui limitent leur résistance mécanique et créent des zones de concentration de contraintes. Cela est évité lors de la fabrication en empêchant tout contact entre les fibres elles mêmes et avec tout autre objet, en recouvrant les fibres d’un enduit qui a pour second rôle de favoriser l’adhésion entre les fibres et la matrice. Malgré cela, il faut faire très attention lors de la manipulation des fibres afin d’éviter les éventuels endommagements superficiels.
➤ Les fibres de carbone sont des filaments à base de fibre acrylique de rayonne obtenus à partir de la distillation de pétrole ou de houille. Elles sont oxydeés à chaud puis chauffés à 1500°C dans une atmosphère d’azote. Il ne subsiste alors que la chaîne hexagonale des atomes de carbone. On obtient des filaments noirs et brillants. Les fibres de carbone ont de très bonnes propriétés mécaniques. Les fibres de carbone ont des modules qui varient de 150 à 800 GPa et une masse volumique en général inférieure à 2000 kg m–3 . Leur résistance à l’impact est mauvaise, d’autre part elles sont antioxydantes, résistantes à la chaleur et conduisent l’électricité.
➤ Les fibres de kevlar sont des fibres aramides, de couleur jaune paille, qui ont des propriétés mécaniques élevées en traction comme les fibres de carbone mais leur résistance à la compression est faible. Ce sont des polyamides aromatisés obtenus par synthèse à basse température, puis filés et étirés pour obtenir un module d’élasticité élevé. Ces fibres ont des modules allant de 60 à 180 GPa et une masse volumique d’environ 1400 kg m–3 . Ces fibres ont deux avantages particuliers, elles ont une faible densité et une résistante importante à l’impact. Cependant, les composites de kevlar ont une faible tenue mécanique en compression, généralement attribuée à une mauvaise adhérence des fibres à la matrice dans le matériau composite.

Matrice 

La matrice assure le maintien des fibres dans une orientation donnée, permet le transfert des efforts entre les fibres et donne la forme désirée au produit et elle apporte aussi la résistance au cisaillement. Le choix de la matrice dépend du domaine d’application auquel est destiné le composite (résistance à des températures élevées, résistance à la corrosion, coût de revient etc.). Les résines les plus utilisées sont les époxydes et les polyesters insaturés qui sont des résines thermodurcissables (TD) à polymérisation irréversible. Elles sont associées à des fibres longues, mais l’emploi de polymères (TP) renforcés de fibres courtes se développe fortement. La structure des TP se présente sous forme de chaînes linéaires, il faut les chauffer pour les mettre en forme (les chaînes se plient), et les refroidir pour les fixer (les chaînes se bloquent). Cette opération est réversible. La structure des résines TD a la forme d’un réseau tridimensionnel qui se ponte (double liaison de polymérisation) pour durcir en forme de façon définitive, lors d’un échauffement. La transformation est donc irréversible. Parmi ces résines on peut citer :
• Résines polyesters : Elles se présentent sous la forme d’une solution de polyacide et de polyalcool qui se rigidifient sous les actions d’un catalyseur et de la chaleur. Les résines polyesters principalement utilisées sont les orthophtaliques qui sont les plus courantes, les isophtaliques ayant une excellente tenue chimique et à l’humidité, les chlorés et les bisphénols ayant des excellentes caractéristiques chimiques et thermiques.
• Résines époxydes : Ces résines résultent d’une réaction de polyaddition entre un monomère époxydique et un durcisseur anhydrique d’acide ou amine, sous un apport thermique. Leurs performances mécaniques sont supérieures à celles des polyesters. Elles se caractérisent par une bonne tenue en température, des performances adhésives et une dilatation limitée.

Table des matières

Chapitre 1 Introduction générale
Chapitre 2 Etude Bibliographique
2.1. Introduction
2.2. Matériaux composites et leurs constituants
2.2.1 Renfort
2.2.2 Matrice
2.3 Comportement mécanique des composites stratifiés en statique
2.3.1 Théorie des stratifiés
2.3.2 Analyse expérimentales
2.4 Comportement mécanique des composites stratifiés en fatigue
2.4.1 Endommagement par fatigue
2.4.2 Influence des paramètres expérimentaux
2.4.3 Amortissement en fatigue
2.5. Comportement en vibration des composites stratifiés
2.5.1 Modélisation de l’amortissement
2.5.2 analyse expérimentale
2.6. Modes de dégradation des composites stratifiés
2.6.1 Fissuration matricielle (rupture intralaminaire)
2.6.2 Rupture de fibre (rupture translaminaire)
2.6.3 Délaminage (rupture inter-laminaire)
2.7 Comportement des matériaux composites en présence de délaminage
2.7.1. Comportement en statique
2.7.2. Comportement en fatigue
2.7.3 Comportement en vibration
2.7.4. Comportement en vibration non linéaire
2.8 Conclusion et position du problème
Chapitre 3 Modélisation du comportement mécanique d’une poutre en composite stratifié en présence de délaminages
3.1 Introduction
3.2 Comportement élastique d’un matériau composite orthotrope
3.2.1 Relations contraintes-déformations
3.2.2 Théorie des stratifiés
3.3 Comportement d’une poutre en stratifié
3.4 Modélisation du comportement mécanique d’une poutre stratifiée en présence de délaminages
3.4.1 Fondation élastique
3.4.2 Equation de déplacement
3.4.3 Conditions de continuité
3.4.4 Résolution
3.5 Application de la modélisation à l’analyse du comportement des stratifiés endo
3.5.1 Rigidités
3.5.2 Effet du confinement
3.6 Conclusion
Chapitre 4 Analyse du comportement en statique et en fatigue cyclique des composites sains et endommagés par délaminage
4.1 Introduction
4.2 Evaluation expérimentale du comportement mécanique en statique des composites endommagés par délaminage
4.2.1 Mise en œuvre des matériaux
4.2.2 Procédure expérimentale
4.2.3 Comportement du composite stratifié sain
4.2.4 Effet de la longueur du délaminage sur le comportement en statique
4.2.5 Observation des faciès de rupture
4.3 Analyse par éléments finis du comportement en statique du composite endommagé
4.4 Comportement en fatigue cyclique des matériaux composites endommagés
4.4.1 Essai de fatigue
4.4.2 Comportement en fatigue du matériau sain
4.4.3 Effet de la longueur du délaminage sur le comportement en fatigue
4.5 Conclusion
Chapitre 5 Conclusion générale

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