Soutenance mémoire
Ce travail de thèse s’inscrit dans le contexte du contrôle de l’adhésion et du suivi de l’évolution du vieillissement des structures aéronautiques en matériaux composites. En effet, dans un avion la masse devient un critère primordial et le remplacement des pièces complexes constituées d’éléments rivetés contribue à sa réduction. Les matériaux composites ont répondu en partie à cette problématique, car en choisissant de façon judicieuse l’orientation des fibres dans la matrice, on peut obtenir des caractéristiques mécaniques spécifiques très supérieures à celles des matériaux classiques et s’affranchir des problèmes de corrosion. Dans l’hypothèse de fabriquer un avion « tout composite » (par exemple), il reste néanmoins nécessaire d’adjoindre aux éléments de fuselage des structures renforcées par des nids d’abeille métalliques et de privilégier le collage. Les composites ne sont plus seulement utilisés pour réaliser les éléments les moins critiques, comme les coffres à bagages ou les cloisons, mais rentrent aujourd’hui dans la constitution d’éléments structuraux tels que les nacelles des réacteurs ou les pales des aéronefs entre autres.
Le contrôle de l’état de santé de ces structures devient alors une priorité compte tenu des hautes performances requises pour faire face aux sévères impacts dus à l’environnement au cours des vols. La fabrication des matériaux composites n’est pas non plus sans inconvénients, le plus important étant l’absence de preuve visuelle de défauts. Les composites répondent différemment à l’impact, par rapport aux autres matériaux de construction, et il n’y a souvent pas de signe évident de dommages comme l’illustrerait un impact sur un fuselage en aluminium faisant apparaitre des bosses. Dans une structure composite, un impact de faible énergie peut ne laisser aucun signe visible de l’impact sur la surface. Juste sous l’impact il peut y avoir de vastes décollements ou l’étalement d’un délaminage. Les dommages à l’arrière de la structure peuvent être importants, mais restent cachés. Pour les structures à base de matériaux sandwichs, un impact se traduit souvent par des décollements entre le nid d’abeille et la peau, facilitant l’infiltration d’eau et conduisant à d’autres problèmes ultérieurement. Par ailleurs, l’exposition prolongée de la résine à des températures supérieures à sa température de transition vitreuse (Tg) provoque une fusion de cette dernière, entrainant des risques d’endommagement liés à la chaleur. Pour pallier cette problématique, les concepteurs utilisent très souvent comme première barrière de la peinture. Cette couche ayant un double intérêt : une première barrière mais également un premier détecteur de « coup de chaleur » lorsque celle-ci est décolorée. Le vieillissement des composites évolue au cours du temps et se regroupe sous plusieurs aspects tels que la fatigue, l’exposition à des températures extrêmes, les réactions chimiques avec le milieu environnant, etc.
Matériaux composites et structures sandwichs : mise en œuvre et suivi de leur santé au cours du cycle de vie
Un matériau composite est par définition constitué de tout alliage ou matière première comportant un renfort sous forme filamentaire. Le terme générique de « composite » évoque alors un matériau différent des matériaux macroscopiques homogènes habituels. Il nécessite l’association intime d’au moins deux éléments : le renfort et la matrice qui doivent être compatibles c’est-à-dire en cohésion pour se solidariser et former en même temps le matériau et le produit. De ce fait, on ne peut estimer les caractéristiques mécaniques des composites qu’après fabrication contrairement aux matériaux classiques tels que l’aluminium, le carbone, les matières plastiques, etc.
Suivant leurs différents constituants et les différents procédés de mise en œuvre, on peut conférer aux composites des propriétés physiques et mécaniques remarquables (rigidité, résistance à haute température, résistance à la corrosion,…) mais aussi de la légèreté. C’est ainsi que l’on retrouve ces types de matériaux dans beaucoup de domaines comme le génie civil, le ferroviaire, la construction navale et surtout l’aéronautique.
Les échantillons composites (plaques monolithiques et sandwichs) qui font l’objet de cette thèse proviennent du secteur de l’aéronautique. Ils ont été conçus et réalisés par la société Aircelle Le Havre du groupe SAFRAN dans le cadre d’une collaboration industrielle. Dans ce chapitre, nous montrons dans un premier temps la méthode de mise en forme des matériaux composites monolithiques avec l’utilisation de préimprégnés et dans un second temps celle des structures sandwichs à âme en nid d’abeille en aluminium. Un rapide survol de quelques techniques d’investigation non destructives de ces matériaux est effectué. Ces différentes techniques ont pour but de caractériser ces matériaux (mesure de leurs épaisseurs ou détection de défauts de surface ou en interne) ou en évaluant leurs caractéristiques mécaniques au cours de leur mise en service.
Procédés de mise en forme et vieillissement
Renfort
Le rôle du renfort rentrant dans la fabrication du matériau composite est d’améliorer sa résistance mécanique ainsi que sa rigidité. Il se présente sous forme filamentaire allant de la particule sous forme allongée à la fibre continue qui donne au matériau un effet directif. Deux paramètres caractérisent le renfort, il s’agit de sa nature et de son architecture.
On distingue deux grandes familles de renforts : les renforts organiques et les renforts inorganiques. Parmi les renforts organiques, on note les polyesters ainsi que les aramides dont le plus utilisé est le kevlar notamment pour ses applications aéronautiques mais aussi militaires. La plupart des renforts couramment rencontrés sont d’origines minérale (verre et carbone par exemple) et végétale (lin, bois, coton,…).
Les fibres de verre sont obtenues à partir de silice et d’additifs. Suivant les applications auxquelles elles sont destinées, elles sont réparties en trois qualités suivant les désignations E (pour les composites de grande diffusion GD), D (pour des applications dans la construction électrique) et R (pour les composites hautes performances HP). De par le compromis performance/coût qu’elles présentent, les fibres de verre constituent le principal renfort utilisé dans les matériaux composites et plus particulièrement dans les produits GD. Elles ont pour avantage de présenter une bonne adhérence entre fibres et résine, de bonnes propriétés mécaniques bien qu’inférieures à celles du carbone, mais aussi d’excellentes propriétés d’isolation électrique .
Les fibres de carbone sont utilisées pour les composites HP surtout en aéronautique notamment pour leurs excellentes propriétés mécaniques. La production de fibres de carbone repose sur la maitrise de la production de fibres acryliques, qui sont leurs précurseurs traditionnels. En effet, la carbonisation de la fibre de polyacrylonitrile (PAN) sous atmosphère neutre en azote dans des fours à pyrolyse permet de ne conserver que la chaîne carbonée. D’autres moyens de production de fibres de carbone existent notamment par distillation du pétrole entre autres. Malgré leurs bonnes performances, les fibres de carbone souffrent de handicaps techniques qui limitent également leur utilisation pour certaines applications dans les composites. À titre d’exemple, un allongement à la rupture insuffisant (inférieur à 2%) comparé à celui des fibres de verre et de (3 à 4%) par rapport à l’aramide selon Maurice Reyne [1, 2].
L’orientation et l’agencement des fibres du renfort est crucial pour l’optimisation des propriétés mécaniques à fabriquer. La disposition des fibres se fait donc dans le sens des efforts calculés par des lois de la résistance des matériaux ; c’est ainsi que l’on parle de renforts unidimensionnel, tissé (satin et sergé) ou de renforts disposés aléatoirement (mats).
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Table des matières
INTRODUCTION GÉNÉRALE
CHAPITRE 1 MATÉRIAUX COMPOSITES ET STRUCTURES SANDWICHS : MISE EN ŒUVRE ET SUIVI DE LEUR SANTÉ AU COURS DU CYCLE DE VIE
1.1 Introduction
1.2 Procédés de mise en forme et vieillissement
1.2.1 Renfort
1.2.2 Matrice
1.2.3 Mise en forme
1.2.4 Défauts d’adhésion vieillissement isotherme
1.3 Contrôle santé de structures en matériaux composites
1.3.1 Thermographie infrarouge
1.3.2 Détection par shearographie
1.3.3 Tomographie aux rayons X
1.3.4 Émission acoustique
1.3.5 Méthodes ultrasonores
1.4 Conclusion
1.5 Références
CHAPITRE 2 PROPAGATION D’ONDES GUIDÉES DE TYPE LAMB DANS DES STRUCTURES ÉLASTIQUES ANISOTROPES. APPROCHE PAR LA SIMULATION NUMÉRIQUE PAR ÉLÉMENTS FINIS (MEF)
2.1 Introduction
2.2 Partie 1 : Génération et propagation d’ondes de Lamb dans des structures composites
2.2.1 Présentation et description des ondes de Lamb
2.2.2 Propagation dans des matériaux anisotropes
2.2.3 Cas des matériaux monocliniques
2.2.4 Cas des matériaux orthotropes
2.2.5 Résolution numérique : établissement des courbes de dispersion
2.3 Partie 2 : Simulation par éléments finis
2.3.1 Propagation d’ondes de Lamb dans une plaque monolithique
2.3.2 Interaction du mode fondamental A0 avec des défauts d’adhésion
2.4 Conclusion
2.5 Références
CHAPITRE 3 ÉTUDE EXPÉRIMENTALE DE LA PROPAGATION D’ONDES DE LAMB DANS LES STRUCTURES COMPOSITES ET SANDWICHS : ÉMISSION CONTACT ET DÉTECTION PAR INTERFÉROMÉTRIE LASER DANS L’AIR
3.1 Introduction
3.2 Dispositif expérimental
3.3 Propagation d’ondes de Lamb dans une « peau » composite
3.4 Propagation et détection pour le contrôle de l’adhésion de structures sandwichs
3.4.1 Propagation sur une plaque sandwich sans défaut
3.4.2 Propagation sur des plaques sandwichs avec défauts
3.5 Propagation d’ondes de Lamb dans des matériaux composites vieillis
3.5.1 Caractérisation du vieillissement de plaques monolithiques
3.5.2 Propagation du mode A0 sur sandwichs vieillis
3.6 Conclusion
3.7 Références
CHAPITRE 4 ONDES DE VOLUME POUR LA CARACTÉRISATION DE L’ADHÉSION DE STRUCTURES SANDWICHS. UTILISATION DES TRANSDUCTEURS MULTIÉLÉMENTS POUR LA MISE EN ÉVIDENCE
4.1 Introduction
4.2 Décomposition en séries de Debye
4.2.1 Réflexion et transmission d’ondes dans une structure multicouche en incidence normale
4.2.2 Simulation de la réponse électroacoustique
4.3 Détection par transducteur multiéléments (ME)
4.3.1 Principes physiques
4.3.2 Mesures expérimentales avec le transducteur ME
4.4 Imagerie et détection de défaut d’adhésion
4.4.1 Comparaison DSM et mesures
4.4.2 Détection de délaminage (plaque G02) par transducteur ME
4.4.3 Détection des autres défauts à l’interface composite/nid d’abeille
4.5 Conclusion
4.6 Références
CONCLUSION GÉNÉRALE
