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RÉSUMÉ
De plus en plus, l’ingénieur est à la recherche de critères et de modèles de prévision du comportement à long terme des composites à matrice organique (CMO). Pour cela, il faut collecter des informations sur les constituants du matériau, déterminer les sollicitations de tous genres (thermique, mécanique, hydrique…) auxquelles le composite est soumis et disposer de données de vieillissements accélérés fiables. Cet article présente également les évolutions des propriétés susceptibles d’être rencontrées en service.
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Bruno MORTAIGNE : Docteur en matériaux de l’École Nationale Supérieure d’Arts et Métiers (ENSAM) - Spécialiste « Matériaux » - Délégation Générale pour l’Armement (DGA)
INTRODUCTION
Les composites à matrice organique (CMO) monolithiques ou sandwiches sont désormais incontournables pour l’ingénieur, et l’établissement de critères et de modèles permettant de prévoir leur comportement au vieillissement est un enjeu important. Cela nécessite non seulement de caractériser l’évolution des propriétés, mais également de comprendre les phénomènes de dégradation qui sont intervenus (physico-chimique, physique, mécanique). Dans le dossier « Vieillissement des composites. Mécanismes et méthodologie d’étude », la méthodologie d’étude à adopter pour prévoir leur comportement à long terme ainsi que les phénomènes responsables de la dégradation des propriétés ont été détaillés dans leur globalité.
La définition d’un modèle de prévision du comportement nécessite d’acquérir le maximum d’informations sur les constituants et sur la structure du matériau, d’identifier le plus exactement possible les sollicitations (thermique, hydrique, mécanique...) auxquelles le composite est soumis en condition opérationnelle, et d’utiliser des moyens de contrôle (optique, contrôles non destructifs : CND) permettant de suivre la formation et la propagation des endommagements. Il nécessite d’avoir recours à des vieillissements accélérés réalistes pour lesquels il est nécessaire de s’assurer de leur représentativité. La plus grande difficulté rencontrée pour ces essais est la définition des cycles de sollicitations représentatifs des agressions subies en service.
Ce dossier tente, à travers divers exemples de CMO structuraux, de mettre en application la méthodologie définie précédemment. Il décrit les différents moyens d’analyse du comportement à mettre en œuvre et indique au lecteur les évolutions des propriétés susceptibles d’être rencontrées en service de manière à ce qu’il puisse les intégrer dans la prévision du comportement à long terme.
Plusieurs « modèles » dépendant du CMO et de ses conditions d’utilisation, basés sur l’évolution de la propriété limitative à l’utilisation et résultant soit d’une analyse physico-chimique, soit d’un suivi des propriétés mécaniques sont présentés. La température et l’humidité étant les deux facteurs majeurs influençant les caractéristiques initiales des matériaux et de vieillissement, la prévision de leur comportement en fonction de ces paramètres est regardée de manière systématique. Du point de vue mécanique, la résistance aux impacts et la compréhension des mécanismes de propagation de fissures sont systématiquement investiguées pour pouvoir certifier le comportement en cours d’utilisation. Une modélisation mécanique par éléments finis prenant en compte des singularités de structure, de contrainte et d’endommagement ainsi qu’une approche multiéchelle de prévision du comportement sont également présentées. Ces modèles ne permettent toutefois pas de s’affranchir du retour d’expérience du comportement en environnement d’utilisation qui est le seul à pouvoir les valider.
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2. Analyse physico-chimique. Structure et vieillissement
Bien que la problématique industrielle soit principalement une tenue des performances mécaniques, l’aspect physico-chimique des phénomènes de vieillissement doit absolument être pris en compte et étudié pour aboutir à des modèles de prévision du comportement réalistes et fiables.
Le comportement est étudié en définissant un réseau théorique représentatif de la structure chimique.
2.1 Évolution de masse des matériaux
Le suivi gravimétrique des CMO, bien que traduisant un phénomène macroscopique, correspond au premier moyen peu coûteux et d’utilisation facile permettant le suivi du comportement au vieillissement. Il renseigne sur l’absorption d’eau, la dégradation thermique, les phénomènes d’érosion, d’extraction de molécules (dégradation chimique, extraction d’additifs...). Cet essai permet d’obtenir rapidement des indications sur l’évolution et le comportement du matériau composite, sans toutefois donner d’indication sur les mécanismes mis en jeu ni sur l’évolution des propriétés.
Il est réalisé à l’aide de balances de précision à ± 0,1 mg sur des échantillons représentatifs du matériau et de ses conditions de mise en œuvre. Il peut s’effectuer directement sur des plaques de plus grandes dimensions qui seront utilisées après vieillissement pour l’usinage des éprouvettes d’essai mécanique.
HAUT DE PAGE2.1.1 Vieillissement hydrolytique
La présence d’eau est le facteur de vieillissement majoritaire pour des CMO à fibres naturelles et pour des matrices hydrolysables (fonctions ester, amide).
Dans le cas de CMO avec de nombreuses liaisons hydrogène (exemple : polyamide), les propriétés mécaniques dépendent de la quantité d’eau absorbée par le matériau. L’eau intervient en détruisant les liaisons hydrogène ce qui fait chuter fortement les propriétés mécaniques. Les composites renforcés par un tissu Kevlar, qui présentent une bonne ténacité, sont particulièrement sensibles à l’humidité et demandent à être associés à un autre tissu protecteur ou à être...
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