Soutenance mémoire
Matériaux céramiques
L’utilisation des céramiques est très courante dans les systèmes de blindage actuels. Du fait de leur haute dureté et de leur très grande limite à la rupture en compression, elles se prêtent aisément à l’éclatement de projectiles lancés à grande vitesse.
Les modes d’endommagement sous impact des céramiques sont schématisés Figure 1.3a. Grâce au très haut niveau de dureté du matériau, le projectile est d’abord brisé en une multitude de petits fragments qui s’érodent ensuite au contact de la céramique (Figure 1.3b). Cette dernière subit quant à elle une onde de compression qui s’initie en surface et se propage radialement par rapport au point d’impact. Cette onde engendre la formation de fissures qui se propagent sous la forme d’un cône d’endommagement [7]. Elle traverse ainsi la céramique et une partie est réfléchie sur la face opposée. Une onde de traction est alors générée et entraîne d’abord la formation d’un réseau de fissures radiales en face arrière, puis la croissance des fissures initialement formées en face d’impact.
Survient alors un éclatement de la céramique parallèlement à la surface impactée.
Le processus de rupture de la céramique ne consomme qu’une part minime de l’énergie d’impact [4].
La majeure partie de l’énergie est dépensée par la déformation du projectile et par l’éjection des débris de céramique.
Textiles techniques hautes performances
Les blindages légers sont souvent constitués d’empilements de textiles polymères hautes performances [10-13]. On parle de matériaux composites souples si le matériau final comporte une enduction, ou bien de complexes textiles s’il est composé de mailles, de tissés et de non-tissés assemblés entre eux mécaniquement. Dans tous les cas, ces complexes sont connus sous le terme générique de « textiles techniques ». Ce type de produits, minces et légers, apportent uneprotection contre les menaces multiples, depuis l’attaque au couteau jusqu’aux impacts balistiques.
Les textiles techniques représentent des solutions extrêmement efficaces pour des densités minimes.
Comme cela est illustré Figure 1.4, ils agissent en absorbant l’énergie cinétique du projectile à la manière d’un filet. Les premières couches, surtout sollicitées en cisaillement, sont perforées aumoment de l’impact. Les couches arrières fléchissent ensuite sous l’impulsion et sont progressivement sollicitées en traction.
Mécanismes d’absorption de l’énergie d’impact dans les composites à matrice organique
Lors d’un impact sur composite, l’énergie du projectile incident peut être consommée selon trois voies [26] : une partie peut être dissipée à travers les vibrations de la plaque, une autre peut être absorbée de manière élastique par sa flexion et pour finir, une large part est consommée par l’endommagement du matériau impacté. Lorsque la vitesse d’impact est suffisamment élevée, la résultante vibratoire de l’énergie est généralement négligeable [27]. L’énergie cinétique du projectile incident devient donc la somme de deux composantes, l’une attribuable à la flexion du panneau cible et l’autre corrélée aux différents modes d’endommagement. Ces derniers sont détaillés dans plusieurs études [28-31]. Il s’agit de la fissuration matricielle, des délaminages et des ruptures de fibres.
Flexion du panneau cible
Naik [26] a étudié le comportement sous impact basse vitesse de composites tissés. Le contact dynamique du projectile avec la cible induit tout d’abord la formation puis la propagation d’une onde
transverse dans le matériau. Cette onde ajoutée au déplacement du projectile entraîne la déformation progressive de la cible, sous la forme d’un cône (Figure 1.7). Au fur et à mesure que l’onde se propage, le rayon du cône, sa profondeur et la contrainte sur les fibres augmentent. Le rayon du cône rti à un instant t correspond au niveau de propagation de l’onde. La distance parcourue par le projectile et la profondeur du cône formé zi à l’instant t sont équivalentes.
Les fibres situées dans l’axe du projectile sont appelées fibres primaires. Elles fournissent la résistance directe à la pénétration. Toutes les autres fibres à l’intérieur du cône sont les fibres secondaires. Elles absorbent une partie de l’énergie incidente par déformation élastique. Le niveau d’énergie absorbé dépend de la distribution des contraintes au sein de la fibre. Or la contrainte subie par les fibres secondaires est maximale à la pointe du cône (point A Figure 1.7), puis tend linéairement vers une valeur nulle (point B). Après déformation élastique, l’endommagement dustratifié survient au niveau des couches les plus fragilisées.
Microfissuration matricielle
Différents travaux [32, 33] accordent un rôle précurseur à l’endommagement matriciel lors d’un impact sur composite stratifié. Celui-ci prend souvent la forme de fissurations mais aussi de décohésions entre les fibres et la matrice. Il est possible de distinguer deux types de fissurations :
Les premières fissures sont dues au cisaillement transverse et apparaissent dans les premiers plis, à une certaine distance de la zone impactée (Figure 1.8a). Elles sont inclinées à 45°et se propagent dans la direction des fibres ;
Les secondes fissurations sont dues à la flexion de la plaque, elles sont verticales et apparaissent sous le projectile, dans le pli le plus éloigné de l’impact (Figure 1.8b).
Dans un deuxième temps, un cisaillement important en modes I et II (Figure 1.9) induit par la flexion du stratifié provoque la propagation des fissures dans les plis [34]. La croissance des fissures continue ainsi jusqu’à ce que celles-ci atteignent une interface fibre/matrice. Si la contrainte à l’extrémité d’une fissure est suffisamment importante, elle peut provoquer la rupture de la fibre. La fissure est aussi susceptible de se développer en s’ouvrant le long de la fibre et de provoquer la formation de délaminages.
Influence des caractéristiques de l’impact
Vitesse d’impact
Comme cela est schématisé Figure 1.13a, lors d’un impact à basse vitesse, la plaque est préférentiellement sollicitée en flexion. Ainsi, la structure a la possibilité d’emmagasiner une partie de l’énergie incidente de manière élastique. Sa rupture est ensuite initiée par des ruptures de matrice et de fibres sur la face opposée à l’impact. A haute vitesse, il n’y plus d’effets de structure (Figure 1.13b). Le temps de contact entre le projectile et la cible est trop court et les ondes n’ont pas le temps d’aller chercher les conditions aux limites. Par conséquent, les modes de rupture dominants sont entrainés par une réponse locale du matériau.
Influence des caractéristiques du composite impacté
Paramètres géométriques de la structure
Epaisseur de la structure
Un des paramètres géométriques qui influence fortement la réponse à l’impact d’un stratifié est son épaisseur [42, 45, 46]. En effet, il a été observé expérimentalement que plus la plaque est épaisse, plus sa résistance à la perforation est élevée. Cela s’explique simplement par le fait que le projectile a plus de matière à traverser. Pour des stratifiés renforcés par des fibres de carbone et de verre, cette dépendance a été parfaitement décrite par une loi puissance dont l’exposant est propre aumatériau étudié [47]. Plus la plaque est mince, plus sa raideur en flexion est faible et plus la déflection permise est importante. Ceci entraîne l’apparition de fortes contraintes et un début de rupture face opposée à l’impact. Au contraire, pour les plaques les plus épaisses les modes de rupture dominants sont induits par cisaillement en face d’impact. Il existe donc une valeur intermédiaire de l’épaisseur pour laquelle les premiers dommages apparaissent simultanément sur les deux faces de la plaque. Des essais d’impact à faible vitesse au moyen d’une tour de chute ont été réalisés par Alcock [48] sur des composites tissés tout propylène de différentes épaisseurs. Ce dernier a démontré qu’il existe une épaisseur optimale pour laquelle les plaques présentent la meilleure réponse, alliant un bon compromis matériau/structure. La Figure 1.22 montre effectivement que pour deux types de stratifiés A et B, les meilleures performances sont obtenues pour une épaisseur intermédiaire égale à1,8 mm.
Paramètres matériaux
Type de matrice
Dans un matériau composite, le rôle principal de la matrice est de distribuer les efforts entre les fibres. Néanmoins, elle gouverne aussi sa résistance thermique et chimique, et elle joue un rôle important sur sa résistance à l’impact.
La matrice est constituée d’une résine polymère à laquelle sont ajoutés des charges et adjuvants. Son choix dépend principalement des conditions d’utilisation et du niveau de performances souhaité.
Deux grandes catégories de résines aéronautiques courantes peuvent être distinguées : les thermodurcissables et les thermoplastiques. Les principales caractéristiques des matrices organiques courantes sont présentées en Annexe 1.C.
Les résines thermodurcissables sont les plus employées dans les matériaux composites structuraux.
Généralement associées avec des fibres longues, elles sont liquides ou liquides visqueuses et réticulent sous l’action thermiquement activée d’un catalyseur et d’un durcisseur. La transformation est irréversible et forme un produit infusible et insoluble. Actuellement, les principales résines thermodurcissables sont les polyesters, les phénoliques et les époxydes. Ces dernières présentent de meilleures performances mécaniques et une meilleure tenue en température. Elles sont par conséquent les plus utilisées pour les applications aéronautiques. Les résines époxydes de classe 180 °C, qui comme leur nom l’indique réticulent à 180 °C, sont souvent employées avec des renfortscarbone pour la réalisation de pièces structurales aéronautiques.
Cependant, les matrices époxy sont fragiles et peu résistantes aux chocs du fait de leur faible ténacité [50]. Cartié et Irving [51] ont analysé l’influence de la variation de ténacité de la résine sur la propagation d’une fissure au sein de stratifiés à matrice époxy renforcés par des fibres de carbone soumis à un impact à basse vitesse. Ils ont pour cela comparé quatre types de résine (Hexcel 922, 914, 924 et 920) dont les ténacités varient de 51 J.m -2 à 541 J.m -2 (Tableau 1.1). Les résultats montrent que pour un même type de fibre, plus la ténacité de la résine est grande, plus les délaminages se propagent difficilement (Figure 1.24a) et plus la résistance résiduelle du matériau après impact est élevée (Figure 1.24b). Aussi, l’auteur fait remarquer que la variation de l’aire endommagée est la conséquence d’une modification de l’effort nécessaire à l’initiation du dommage.
Or ce dernier apparait comme étant dépendant du GIIC et indépendant de l’énergie d’impact.
Mise en œuvre des préimprégnés thermodurcissables par autoclave
Des composites à matrice époxy M21 renforcés par des fibres de carbone T700 unidirectionnelles d’Hexcel ont été fabriqués à partir de préimprégnés. Leur polymérisation a été effectuée sous autoclave, selon la procédure qualifiée pour les applications aéronautiques.
Les différents plis ont été découpés à la forme voulue à partir du rouleau de préimprégné, puis empilés successivement selon la stratification définie paragraphe 2.2.1. Lors du drapage, l’empilement a été compacté sous un vide de -900 mbar tous les 4 plis durant 10 minutes. Cette opération permet d’éliminer une partie de l’air emprisonné entre les plis et ainsi de limiter le taux de porosité dans le composite après cuisson [88].
Les plis de préimprégnés empilés ont ensuite été disposés sur une plaque en acier recouverte d’un film démoulant et d’un tissu d’arrachage. Le film démoulant évite l’adhérence du composite sur le moule et laisse un état de surface lisse sur la pièce. Le tissu d’arrachage (PET ou PA) évite le collage des tissus d’environnement sur le composite. Un cadre de coffrage en mosite (membrane silicone) a été utilisé pour contenir les écoulements de résine. Puis le tout a été recouvert d’une bâche à vide souple et étanche, fermée hermétiquement grâce à un mastic haute température, faisant office de contre-moule. Une succession de produits d’environnement consommables dits « tissus techniques » ont également été insérés entre le stratifié et la bâche à vide (Figure 2.15). Le film séparateur perforé (film fluoré) limite l’écoulement de résine tout en autorisant l’application du vide dans le système. Le mat de verre drainant absorbe l’excédent de résine et draine le vide de manière uniforme à travers la pièce.
Mise en oeuvre des préimprégnés thermoplastiques sous presse chauffante
Des composites à matrice PEEK APC-2 renforcés par des fibres de carbone AS4 unidirectionnelles de Cytec ont également été fabriqués à partir de préimprégnés. Leur consolidation a été effectuée sous presse chauffante selon la procédure préconisée par Airbus.
La presse utilisée est une presse de marque Pinette Emidecau Industries d’une capacité de 750 kN dont les tables sont chauffées au moyen d’un réseau de cartouches électriques hautes températures.
La température des plateaux est régulée sur neuf zones pilotées individuellement par un automate grâce à des thermocouples K situés au centre de chaque zone. Le refroidissement est quant à lui assuré par une circulation d’air et d’eau au travers de canaux forés dans les plateaux de la presse.
Une chambre de compression a été utilisée pour la consolidation sous presse des plaques (Figure 2.18). Celle-ci se compose d’un cadre métallique à l’intérieur duquel les plis de préimprégnés sont agencés après drapage, et d’une dépouille métallique placée sur l’empilement à l’intérieur du cadre.
La chambre de compression permet ainsi d’appliquer une pression de compactage élevée tout en limitant le fluage de la matrice en périphérie de la plaque (essorage des renforts). Le taux de fibres est ainsi maîtrisé. De plus, des films de polyimide ont également été placés de part et d’autre del’empilement composite afin de faciliter le démoulage et d’améliorer l’état de surface du matériau.
Mise en œuvre de tissus poudrés et de systèmes film stacking par thermocompression rapide
Des plaques stratifiées, réalisées à partir de tissus poudrés (Pi-Preg® de Porcher Industries) et par film stacking, ont été consolidées par thermocompression sur le pilote EDyCO (Elaboration Dynamique de Composites Organiques) du site d’Albi de l’ICA.
Le pilote EDyCO
Le pilote EDyCO est une installation de thermocompression, destinée à la fabrication de matériaux composites, mais à la différence d’une presse chauffante conventionnelle dont les plateaux sont équipés de cartouches chauffantes, le chauffage est réalisé par induction électromagnétique grâce à la technologie Cage System® développée par Roctool.
Le système de chauffage Cage System® de Roctool consiste en un moule métallique ferromagnétique encastré dans un solénoïde en deux parties (Figure 2.20a). Lorsque l’entrefer entre les deux parties du moule est réduit, la continuité électrique du solénoïde est assurée par l’emboîtement des plots deconnexion (Figure 2.20b).
Mise en œuvre des Pi-Preg® poudrés avec EDyCO
Des composites à matrice PEEK renforcés par des tissus de carbone ont été fabriqués sur le pilote EDyCO à partir de Pi-Preg® poudrés de Porcher Industries.
Comme dans le cas des préimprégnés, les plis sont découpés à la forme voulue avant d’être empilés successivement selon la stratification définie Paragraphe 2.2.1. Ils sont ensuite disposés au centre du moule Cage System® après préparation.
Grâce au Cage System®, le cycle de consolidation utilisé pour les Pi-Preg® a pu être réduit à une trentaine de minutes alors qu’il excède les 3h sous presse chauffante. Le cycle appliqué sur EDyCO se compose :
D’une rampe de montée en température à 50 °C/min ;
D’un palier de 5 min à 400 °C (PEEK) ou 320 °C (PPS) sous une pression de l’ordre de 7 bars ;
D’un refroidissement à une vitesse de 20 °C/min.
Ce cycle résulte des travaux menés par Emeline Bessard sur la mise en œuvre rapide des composites Carbone/PEEK grâce à l’installation EDyCO [90, 91]. Elle a en effet pu montrer que la consolidation à plus haute température du PEEK était possible, notamment car l’accélération des cinétiques de chauffage permet de réduire le temps de séjour du matériau à haute température et donc les risques de dégradation de la matrice. L’imprégnation rapide des renforts est alors possible grâce à la diminution de la viscosité de la résine.
Après consolidation, un essorage plus ou moins important des renforts a été observé. En effet, dans certains des cas, la tenue de l’adhésif en polyimide s’est révélée insuffisante pour empêcher l’écoulement de la résine en bordure de plaque. Comme dans le cas des préimprégnés, le tauxvolumique réel de fibres dans le stratifié après consolidation a donc été réévalué d’après l’Equation2.16.
Mise en œuvre de composites à matrice PEEK avec EDyCO
Enfin, la majeure partie des produits de l’étude correspond à des composites à matrice PEEK renforcés par diverses classes de renforts. Ils ont été mis en œuvre par film stacking sur le pilote EDyCO.
La méthode de film stacking [92] consiste à empiler plusieurs couches de fibres sèches (Figure 2.23a) selon la stratification souhaitée, en intercalant un ou plusieurs films polymères (Figure 2.23b) en fonction du taux de résine visé. L’empilement est ensuite consolidé sous presse chauffante. Le film utilisé pour la mise en œuvre de l’ensemble des stratifiés réalisés par film stacking est un film de PEEK VICTREX® APTIV® 2000-150G. Son épaisseur est de 38 µm et sa masse surfacique est de 50 g.m -2.
Matériaux et paramètres étudiés
Matériaux
Des stratifiés quasi-isotropes renforcés par diverses classes de renforts ont été mis en œuvre par film stacking. Ce procédé, détaillé Paragraphe 2.2.4.3, consiste à empiler plusieurs couches de renfort sec selon la stratification souhaitée, en intercalant un ou plusieurs films de polymère thermoplastique.
L’ensemble est ensuite consolidé sous presse chauffante.
Dans l’objectif final d’une élaboration d’un matériau semi-monolithique hybride, une résine PEEK a été choisie pour l’imprégnation des renforts de cette deuxième campagne d’essais. Le film utilisé est un polymère PEEK VICTREX® APTIV® 2000-150G. Son épaisseur est de 38 µm et sa masse surfacique est de 50 g.m-2.
L’empilement de renforts et de films polymères a été consolidé sous presse chauffante à 400 °C durant 20 minutes, selon les cycles de pression et température présentés au Chapitre 2. Pour cela, le pilote EDyCO de l’ICA a été utilisé. Celui-ci est équipé de moules à chauffage par induction (technologie Cage System® de Roctool), ce qui permet d’appliquer des cinétiques de chauffage et de refroidissement élevées. Des cales métalliques d’épaisseur 5 mm ont été insérées dans l’entrefer du moule pour calibrer l’épaisseur finale des plaques consolidées.
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Table des matières
Remerciements
Contexte et problématique
1. Etat de l’art des matériaux de blindage courants et des mécanismes d’absorption d’énergie associés
1.1. Généralités sur l’impact et solutions de blindage courantes
1.1.1. Classification de l’impact
1.1.2. Solutions de blindage courantes
1.2. Mécanismes d’absorption de l’énergie d’impact dans les composites à matrice organique
1.2.1. Flexion du panneau cible
1.2.2. Mécanismes d’endommagement sous impact
1.3. Paramètres gouvernant le comportement sous impact des composites à matrice organique
1.3.1. Influence des caractéristiques de l’impact
1.3.2. Influence des caractéristiques du composite impacté
1.4. Conclusions bibliographiques
2. Moyens d’essais et élaboration des matériaux
2.1. Moyens d’essais d’impact
2.1.1. Essai d’impact poids tombant
2.1.2. Essai de résilience Charpy
2.1.3. Essai d’impact au canon à gaz comprimé
2.2. Elaboration des matériaux
2.2.1. Choix de la séquence de drapage
2.2.2. Mise en œuvre des préimprégnés thermodurcissables par autoclave
2.2.3. Mise en oeuvre des préimprégnés thermoplastiques sous presse chauffante
2.2.4. Mise en œuvre de tissus poudrés et de systèmes film stacking par thermocompression rapide
2.3. Conclusions sur les moyens expérimentaux
3. Etude du comportement à l’impact de composites à matrice organique renforcés par des fibres de carbone
3.1. Matériaux et paramètres étudiés
3.1.1. Matériaux
3.1.2. Paramètres étudiés
3.2. Résultats des essais d’impact
3.2.1. Essai d’impact poids tombant
3.2.2. Essai de résilience Charpy
3.2.3. Essai d’impact au canon à gaz comprimé
3.3. Conclusions sur le comportement à l’impact des composites à renforts carbone
4. Evaluation de différentes solutions de blindage composite à matrice PEEK
4.1. Matériaux et paramètres étudiés
4.1.1. Matériaux
4.1.2. Paramètres étudiés
4.2. Etude comparative du comportement sous impact basse vitesse
4.2.1. Influence de la nature des fibres de composites tissés à matrice PEEK
4.2.2. Influence de la contexture de composites renforcés par des fibres de basalte
4.2.3. Influence du taux de porosité intra-mèche
4.3. Etude comparative du comportement sous impact haute vitesse
4.3.1. Influence de la nature des fibres de composites tissés à matrice PEEK
4.3.2. Influence du taux de porosité intra-mèche
4.4. Conclusions sur les différentes solutions de blindage composite à matrice PEEK
5. Etude des voies d’optimisation de diverses solutions de blindage composite
5.1. Influence de la porosité inter-plis sur le comportement à l’impact des composites stratifiés
5.1.1. Fabrication des matériaux et introduction des porosités
5.1.2. Effets de la porosité inter-plis sur le comportement à l’impact de composites renforcés de tissus de basalte
5.1.3. Effets de la porosité inter-plis sur le comportement à l’impact de composites renforcés de plis UD de carbone
5.1.4. Influence de la porosité inter-plis dans un composite T700/M21
5.2. Influence de la présence d’éléments aux inter-plis sur le comportement à l’impact de composites renforcés de tissus de basalte
5.2.1. Fabrication de composites avec éléments d’inter-plis
5.2.2. Effets des différents éléments d’inter-plis sur le comportement à l’impact du stratifié
5.3. Conclusions sur les voies d’optimisation de solutions de blindage composite
6. Essais d’impact à haute vitesse sur combinaisons de matériaux composites multifonctionnelles
6.1. Multimatériaux testés et scénarii d’absorption d’énergie visés
6.2. Essais d’impact sur combinaisons de matériaux composites multifonctionnelles à 170 m.s -1 (0,9 kJ)
6.3. Essais d’impact sur combinaisons de matériaux composites multifonctionnelles à 250 m.s -1 (2,5 kJ)
6.4. Synthèse et discussion
Conclusions générales et perspectives
Annexes
Table des figures
Liste des tableaux
Bibliographie
