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RÉSUMÉ
Cet article est consacré à la présentation d'exemples et cas d'études concernant les couplages thermomécanique, diffuso-mécanique, thermo-chimico-mécanique-oxydant, qui apparaissent lors du vieillissement de matériaux composites à matrice organique pour applications aéronautiques et aérospatiales. Pour chaque type de couplage, les étapes de caractérisation expérimentale, modélisation, identification et simulation sont abordées, en s'appuyant sur les références bibliographiques existantes et sur des travaux de recherche.
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Marco GIGLIOTTI : Ingénieur de l'Université de Pise - Docteur en Mécanique du solide de l'École Nationale Supérieure des Mines de Saint-Étienne - Maître de conférences (HDR), Université de Poitiers et ISAE-ENSMA
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Jean-Claude GRANDIDIER : Docteur en mécanique de l'Université de Metz - Professeur à ISAE-ENSMA Poitiers
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Marie Christine LAFARIE-FRENOT : Docteur ès sciences physiques de l'Université de Poitiers - Professeur, Université de Poitiers et ISAE-ENSMA Poitiers
INTRODUCTION
L'intégration des Composites à matrice organique (CMO) dans des structures confrontées à des environnements agressifs demeure difficile à cause des problèmes de durabilité qui peuvent se manifester au cours de la vie de ces pièces. Le vieillissement des CMO résulte de l'action combinée de la température, de l'humidité, de la pression et de la lumière inhérents à l'environnement. Il dépend aussi des conditions de mise en œuvre (type de procédé, cycle de cuisson induisant des contraintes résiduelles) et de la structure physique du matériau, plus ou moins sensible aux espèces diffusantes et aux rayons lumineux. Il correspond à une évolution souvent irréversible des propriétés du matériau et son étude nécessite la mise en place d'approches multi-physiques et multi-échelles, à la fois expérimentales et théoriques, et soulève des questions scientifiques, outre que technologiques, de grande complexité.
Cet article est consacré à la présentation d'exemples et de cas d'études concernant les couplages thermomécanique, diffuso-mécanique, thermo- chimico-mécanique-oxydant qui apparaissent lors du vieillissement de matériaux composites à matrice organique (résine thermodurcissable) pour des applications aéronautiques et aérospatiales. Pour chaque type de couplage, les étapes de caractérisation expérimentale, modélisation, identification et simulation sont abordées, en s'appuyant sur les références bibliographiques existantes et – en partie – sur les travaux de recherche conduits par les auteurs.
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MOTS-CLÉS
Outils de caractérisation vieillissement des matériaux composites couplages multi-physiques et multi-échelles thermo-oxydation matériaux composites couplage diffuso-mécanique transport Génie mécanique mécanique des matériaux thermodynamique des matériaux
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Accueil > Ressources documentaires > Matériaux > Plastiques et composites > Caractérisation et propriétés d'usage des composites > Vieillissement de matériaux composites à matrice organique - Cas d'études > Couplage diffuso-mécanique
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Couplage thermo-chimico-mécanique : thermo-oxydation
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3. Couplage diffuso-mécanique
Le vieillissement en atmosphère humide des matériaux composites à matrice organique fait, depuis plusieurs années, l'objet de nombreuses études (pour une revue détaillée voir les articles de Shen and Springer et l'ouvrage de Weitsman ).
Ces études ont montré, entre autres, que le vieillissement humide affecte principalement la matrice (résine organique, polymère…) en induisant plus particulièrement :
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une baisse de certaines de ses propriétés physico-chimiques, en particulier de sa température de transition vitreuse, T g , qui peut être de l'ordre de 30 oC pour un gain de masse de 3 % ;
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une baisse de sa rigidité mécanique (phénomène de plastification…), à la fois en termes de module vitreux et caoutchoutique (allant jusqu'à – 60 %, en fonction du matériau) ;
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le développement de contraintes internes microscopiques (à l'échelle fibre/matrice) et mésoscopiques (à l'échelle du pli composite), liées à son gonflement hygroscopique en présence d'eau.
Dans certains cas, l'absorption d'eau induit généralement des phénomènes de vieillissement physique du matériau, sans altération notable de la structure chimique des macromolécules, provoquant donc des variations réversibles de comportement. Cela est vrai si la pénétration de l'espèce soluble au sein du matériau n'entraîne pas de réactions chimiques, d'endommagement ou de dissolution. Plus souvent, la réversibilité a lieu uniquement dans le cas d'absorption à basses températures, dans les temps courts. En présence d'environnements particulièrement sévères (température et humidité relative élevées)...
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Couplage diffuso-mécanique
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - HAHN (H.T.), PAGANO (N.J.) - Curing stresses in composite laminates. - Journal of Composite Materials, 9, p. 91-106 (1975).
-
(2) - WANG (T.M.), DANIEL (I.M.), GOTRO (J.T.) - Thermoviscoelastic analysis of residual stresses and warpage in composite laminates. - Journal of Composite Materials, 26, p. 883-899 (1992).
-
(3) - ADAMS (D.S.), BOWLES (D.E.), HERAKOVICH (C.T.) - Thermally induced transverse cracking in graphite-epoxy cross-ply laminates. - Journal of Reinforced Plastics and Composites, 5, p. 152-169 (1986).
-
(4) - PARK (C.H.), McMANUS (H.L.) - Thermally induced damage in composite laminates: predictive methodology and experimental investigation. - Composites Science and Technology, 56, p. 1209-1219 (1996).
-
(5) - HENAFF-GARDIN (C.), LAFARIE-FRENOT (M.C.), GAMBY (D.) - Doubly periodic matrix cracking in composite laminates. Part 2: Thermal biaxial loading. - Composite Structures, 36, p. 131-140 (1996).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
DURACOSYS – DURAbility of Composite SYStems – Série de conférences internationales sur la durabilité des matériaux et des systèmes composites.
ICCM – International Conference on Composite Materials – Série de conférences internationales sur les matériaux composites.
ECCM – European Conference on Composite Materials – Série de conférences internationales sur les matériaux composites.
ICEM – International Conference on Experimental Mechanics – Série de conférences internationales sur les techniques et les méthodes expérimentales.
JNC – Journées Nationales sur les Composites – Série de conférences nationales sur les matériaux composites.
HAUT DE PAGE2.1 Normes sur la durabilité des matériaux composites
FAR 25.613 (2003), Federal aviation regulations – Part 25 : material strength properties and design values
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