Bibliographie & annexes
Présentation
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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
DOI (Digital Object Identifier)
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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 thermo-chimico-mécanique : thermo-oxydation
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Conclusion
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4. Couplage thermo-chimico-mécanique : thermo-oxydation
La thermo-oxydation affecte principalement les polymères organiques qui, lors d'un maintien à haute température (à partir d'environ 120 oC, selon le type de résine), subissent des changements structuraux irréversibles associés à leur instabilité et à leur interaction avec l'oxygène atmosphérique. Les vitesses des réactions d'oxydation dépendent de la « disponibilité » du polymère, de la concentration d'oxygène et de la température. Elles peuvent être supérieures à la vitesse de diffusion de l'oxygène dans le polymère. Dans ce cas, le processus d'oxydation est contrôlé par la diffusion. Pour les polymères dont le processus d'oxydation est contrôlé par la diffusion, s'il y a suffisamment de sites oxydables, l'épaisseur de la couche oxydée va rester constante, le système diffusion-réaction est alors stationnaire. Des observations par microscopie optique montrent la formation d'une couche oxydée assez mince (de l'ordre de centaines de micromètres) située près de la surface exposée à l'environnement : le processus de vieillissement se passe principalement dans la couche oxydée, le cœur du matériau restant presque intact. Dans la couche oxydée, le vieillissement thermo-oxydant induit généralement :
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des modifications des propriétés mécaniques, associées aux coupures de chaîne du réseau macromoléculaire provoquées par la réaction de thermo-oxydation, comportant une légère augmentation des modules de rigidité locaux (phénomène d'antiplastification), une diminution de la température de transition vitreuse et une fragilisation des surfaces directement exposées à l'environnement ;
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des variations importantes de densité et de masse, liées aux départs des produits volatils issus des réactions chimiques, conduisant à des déformations anélastiques d'origine chimique.
À l'échelle microscopique, dans le système composite, les fibres restant stables et inertes jusqu'à haute température (environ 350 oC), les modifications de la matrice et les retraits chimiques contribuent au développement de contraintes internes qui peuvent conduire à l'amorçage de décohésions à l'interface fibre/matrice et à la création de nouvelles surfaces (fissures) exposées à l'environnement.
La pression partielle d'oxygène de l'environnement a été...
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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).
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(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).
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(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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