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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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3. Contrôle de l’intégrité des CMO
Le vieillissement des CMO se traduit fréquemment par des endommagements macroscopiques. Les moyens de contrôle permettant de les révéler sont soit optiques (endommagements détectables en surface), soit basés sur des méthodes non destructives (caractérisation à cœur du CMO). Des capteurs intégrés aux structures se développent actuellement pour déterminer en continu les conditions réellement vues par le matériau et évaluer son état de dégradation.
3.1 Moyens optiques et microscopiques
Une observation attentive du CMO permet de caractériser rapidement un état de vieillissement. Des moyens d’observation visuels, loupe binoculaire, microscopie optique, MEB, MET... sont utilisés en fonction de l’échelle d’observation recherchée, pour identifier les fissures (localisation, formation, propagation) et pour caractériser précisément des faciès de rupture. Les observations optiques sont plus faciles sur des CMO à renfort verre que sur des CMO à renfort carbone (non transparents dans le visible).
Ces observations sont particulièrement importantes pour l’étude des interfaces (CMO à fibres continues) et pour l’étude des CMO renforcés par des nanoparticules (formation d’agrégats, orientation des particules...), l’homogénéité de répartition des charges selon les conditions de mise en œuvre ayant une forte incidence sur les propriétés initiales en statique et en fatigue du matériau, mais également sur son comportement en vieillissement.
HAUT DE PAGE3.1.1 Observation du vieillissement
Au cours du vieillissement, l’endommagement du composite est observé à l’aide d’un microscope optique dans son aspect général et après polissage sur des sections choisies (en particulier sur la tranche du composite) de manière à évaluer les aspects entre les plis du renfort (figure 11) et pour détecter les fissures susceptibles de se développer au voisinage des fibres (relaxation de contraintes, oxydation...).
La corrélation des évolutions de propriétés mécaniques avec la densité de fissure du matériau (figure 12) permet de prévoir le comportement des CMO....
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