Effets des cycles hygrothermiques

Interface

Même si l’interface n’est pas à proprement parler un des constituants d’un composite, plusieurs phénomènes importants de dégradations se produisent dans cette zone. Les effets sur l’interface peuvent fortement influencer les propriétés globales d’un composite. Son importance est bien présentée dans l’extrait suivant : La sensibilité des interfaces aux agressions extérieures est un paramètre prépondérant de la pérennité des performances du composite. Le délaminage entre [les] couches est le mode d’endommagement le plus critique pour l’intégrité des CMO1 avec des fonctions structurales. La rupture peut se produire dans la matrice, entre les plis, mais également par une décohésion entre les fibres et la matrice. Mortaigne (2005) Dans l’article de Ray (2006), l’auteur note qu’une augmentation de la température lors du conditionnement humide produit une dégradation irréversible de l’interface. Les résistances au cisaillement interlaminaire obtenues montrent une dégradation en fonction de la quantité d’eau dissoute dans la matrice, mais avec un effet plus prononcé pour le conditionnement à haute température. Cette dégradation de l’interface lors d’un traitement de saturation à haute température a d’ailleurs été noté plus tôt par Chateauminois et al. (1994). Les résultats de Li (2000) démontrent également une réduction de la résistance de l’interface lors d’un conditionnement humide pour les échantillons verre/époxy. Il est possible d’observer l’effet d’un changement de propriétés de l’interface à l’aide d’un microscope électronique après la rupture d’un échantillon. L’analyse de la surface des fibres permet d’évaluer la qualité de l’interface tel qu’il a été présenté dans Bergeret et Krawczak (2006), Ray (2006) et Hull et Clyne (2001). Une fibre d’apparence lisse, après la rupture, démontre une dégradation de l’interface contrairement à une fibre avec des résidus de la matrice. La résistance de l’interface peut également être évaluée qualitativement en observant les modes de rupture et la propagation des faciès de rupture.

Effets hygrothermiques

Un composite et ses constituants subissent un changement dimensionnel lors d’une variation de température selon le coefficient de dilatation thermique αc. Un composite est cependant un matériau hétérogène et chacune de ses phases ne réagit pas également à un changement de température. Plus particulièrement, les fibres et la matrice ne présentent pas les mêmes coefficients de dilatation thermique (αf et αm). Cette différence de coefficient de dilatation thermique produit des contraintes localement, à l’interface, en fonction de la température, qui s’additionnent aux autres chargements existants et aux contraintes résultantes de la polymérisation. En fonction des matériaux, ces contraintes peuvent être suffisantes pour créer des fissures et des délaminations dans les matériaux lors du refroidissement après la polymérisation de la matrice comme exposé par Nie et al. (2004). Il a été également démontré que le post-traitement des composites ne permet pas de réduire ces contraintes résiduelles de fabrication Lord et Dutta (1988). L’effet de ces contraintes sur les principales propriétés mécaniques des composites a été exploré par Dutta (1988) et Dutta et Hui (1996).

Dans leurs recherches, Lord et Dutta présentent les équations permettant de calculer les contraintes produites pas la dilatation thermique du composite. Ces équations permettent de calculer les contraintes dans la matrice et dans la fibre en fonction du taux de fibre, des modules de Young et des coefficients de dilatation thermique des constituants, et de la différence entre la température d’usage et la température sans contraintes (Tg). Selon ces équations, une réduction de température induit, dans l’axe longitudinal, des contraintes en compression dans la fibre et en tension dans la matrice. Des températures suf9 fisamment basses pourraient entrainer le microflambage des fibres et/ou la création de fissures dans la matrice. Shen et Springer (1977) ont rassemblé les observations de plusieurs articles évaluant les effets des conditions environnementales sur le module d’élasticité des composites. Leurs résultats indiquent, autant pour la température que pour le taux d’humidité, des effets négligeables sur le module de Young. Les recherches de Mula et al. (2006) indiquent une réduction de la résistance au cisaillement interlaminaire lors d’une augmentation du taux d’humidité.

Ces expériences n’ont démontré aucun effet des basses températures sur la résistance au cisaillement interlaminaire. Certaines propriétés mécaniques des composites dépendent principalement des propriétés des fibres, par exemple la résistance en traction parallèle à l’axe des fibres. D’autres propriétés, telles que la résistance au cisaillement, dépendent plus particulièrement des propriétés de la matrice. Les recherches de Li (2000) viennent confirmer que la stabilité des fibres permet aux propriétés dépendantes des caractéristiques des fibres de rester stables lors de variations hygrothermiques. Cependant, les propriétés fortement influencées par la résine réagissent aux variations de conditions hygrothermiques. Les conclusions présentées après l’analyse des données préliminaires obtenues dans le cadre du projet OPTIMAT BLADES n’indiquent aucune dégradation des propriétés mécaniques lors des essais statiques à -40 °C Janssen et al. (2006). Dans cette étude, il a été décidé de limiter les recherches à basse température en raison des résultats préliminaires et de difficultés expérimentales. Finalement, les travaux de Cormier (2009) sur les effets des basses températures, de l’humidité et des cycles thermiques fournissent plusieurs observations utiles.

Ses travaux sont basés sur les composites unidirectionnels de fibre de verre et d’époxy avec un plan d’expériences très similaire à celui employé dans les travaux présentés dans ce mémoire. L’auteur constate une réduction de la limite ultime en traction pour les échantillons humides et une augmentation de la limite ultime en traction pour les tests à basse température. La teneur en humidité, les basses températures et les cycles thermiques ont un impact mineur sur le module de Young des échantillons. Aucun effet de synergie n’a été noté dans ses résultats. D’autres résultats plus récents sont également présentés dans Nijssen et Cormier (2011). Dans ce rapport du projet UpWind, de nouveaux essais viennent confirmer l’augmentation de la limite ultime en tension à basse température et le faible impact de la température sur le module d’élasticité. Des résultats supplémentaires viennent cependant démontrer une augmentation de la limite ultime en compression lors des essais à basse température.

Effets des cycles hygrothermiques

Des fissures après des cycles thermiques ont été détectées dans les travaux de Fahmy et Cunningham (1976). Trois géométries de laminés : [[±453]2]T, [0/30/60/90/-60/-30]S et [012] ont été soumis à un nombre variable de cycles thermiques (de 10 à 10 000) sous vide entre -50 °C et 150 °C. Des observations de la structure des échantillons après 10, 100, 1000 et 5000 cycles ont montré la formation de fissures dans la matrice à partir d’aussi peu que 10 cycles dans les laminés multidirectionnels. Il est à noter que ces composites utilisaient des fibres de carbone comme renfort. La différence de coefficient de dilatation thermique, entre la matrice et les fibres, dans un composite de fibres de carbone est beaucoup plus grande que pour des composites à base de fibres de verre. Les coefficients de dilatation thermique de quelques matériaux sont présentés au tableau 1.1.

Dans Hull et Clyne (2001), une série de radiographies présente les fissures dans un composite multidirectionnel en fonction du nombre de cycles thermiques entre 50 °C et -50 °C. Dans Har11 ris (2003), l’auteur mentionne également la possibilité de création de fissures dans la matrice lors de cycles thermiques. D’autres observations sur les effets des cycles thermiques se trouvent dans l’article de Lord et Dutta (1988). Il indique entre autres que, même si un composite présente un grand nombre de fissures, les propriétés statiques dépendant fortement des fibres sont peu affectées tandis que les propriétés dépendantes de la matrice sont fortement réduites. Finalement, il mentionne l’effet plastifiant de l’humidité dissoute dans le composite qui pourrait réduire les contraintes résiduelles dans ce dernier en relaxant la matrice. Bulmanis et al. (1991) présentent un résumé des recherches de plusieurs chercheurs sur les effets du conditionnement nordique. Des échantillons ont été laissés à découvert à l’extérieur et dans un bâtiment non chauffé pendant deux ans pour déterminer si le vieillissement hivernal affecte les propriétés mécaniques des composites. Les auteurs estiment qu’une exposition naturelle au climat nordique de plus de 10 ans pourrait réduire de l’ordre de 30% certaines propriétés mécaniques de laminés de fibre de carbone. Les laminés de fibre de verre ont présenté une meilleure résistance aux effets du froid. Également, les laminés unidirectionnels ont présenté une meilleure durabilité que les laminés multidirectionnels. Dans ses travaux plus récents Dutta (1998) et Dutta (2001), Dutta étudie plus particulièrement les effets des cycles thermiques en milieu sec et humide. Ses recherches ont trouvé une réduction des propriétés statiques indiquant une possible dégradation de la matrice dans des laminés multidirectionnels après des cycles de gel et de dégel. Les dégradations trouvées sont fonction du nombre et de la sévérité des cycles thermiques. Par exemple, lors d’un test avec une fissure remplie d’eau, la pression de l’eau qui gèle combinée à une réduction de la ductilité a été suffisante pour induire la rupture d’échantillons unidirectionnels.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Bases de données et critères de conception dans le domaine éolien
1.2 Effets des conditions nordiques sur les propriétés statiques des composites
1.2.1 Effets sur les constituants
1.2.1.1 Matrice
1.2.1.2 Fibre
1.2.1.3 Interface
1.2.2 Effets sur les composites
1.2.2.1 Effets hygrothermiques
1.2.2.2 Effets des cycles hygrothermiques
1.3 Effets des conditions nordiques sur les propriétés en fatigue des composites
1.3.1 Effets de l’humidité
1.3.2 Effets des basses températures
1.3.3 Effets combinés de la température et de l’humidité
1.4 Synthèse de la revue de la littérature
CHAPITRE 2 MÉTHODOLOGIE
2.1 Démarche expérimentale
2.2 Choix et fabrication des matériaux
2.3 Évaluation des taux de constituants
2.4 Préparation des échantillons
2.5 Conditionnement des échantillons
2.5.1 Saturation en humidité
2.5.2 Cycles thermiques
2.6 Caractérisation
2.6.1 Caractérisation en fatigue
2.6.2 Caractérisation de l’interface fibre-matrice
CHAPITRE 3 RÉSULTATS33
3.1 Évaluation des taux de constituants
3.2 Résultats de la saturation en humidité
3.3 Résultats des essais en fatigue
3.4 Caractérisation des interfaces
CHAPITRE 4 ANALYSE
4.1 Comparaison des vies en fatigue
4.1.1 Effet des cycles thermiques
4.1.2 Effet de l’humidité
4.1.3 Effet de la température
4.1.4 Effet combiné de l’humidité et de la température
4.2 Analyse de l’adhérence à l’interface
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I FICHES TECHNIQUES
ANNEXE II RÉSULTATS DÉTAILLÉS DES PYROLYSES
BIBLIOGRAPHIE

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