Bibliographie & annexes
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NOTE DE L'ÉDITEUR
La série de normes NF EN ISO 12215 citée dans cet article a été remplacée par : NF EN ISO 12215-1 à -6 (J95-046-1 à -6) : Petits navires - Construction de coques et échantillons :
– Partie 1 : Matériaux : Résines thermodurcissables, renforcement de fibres de verre, stratifié de référence
- Partie 2: Matériaux: Matériaux d'âme pour les constructions de type sandwich, matériaux enrobés
- Partie 3 : matériaux : acier, alliages d'aluminium, bois, autres matériaux
- Partie 4 : ateliers de construction et fabrication
- Partie 5 : pressions de conception pour monocoques, contraintes de conception, détermination de l'échantillonnage
- Partie 6 : Dispositions structurelles et détails de construction
Révision 2018.
Pour en savoir plus, consultez le bulletin de veille normative VN1810 (novembre 2018).
RÉSUMÉ
La durabilité des composites à matrice organique (CMO) avec des renforts fibreux met en jeu des phénomènes complexes. Cet article définit ces mécanismes susceptibles de contribuer à la dégradation des propriétés de ces matériaux et présente des méthodologies d’étude de comportement à long terme. La compréhension de ces mécanismes de dégradation impose des connaissances en chimie, physico-chimie, mécanique, ainsi que des modèles de prévision fiables. Un recensement est effectué des différents phénomènes de vieillissement rencontrés sur des CMO en application structurale.
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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
Létablissement de critères et de modèles permettant de prévoir le comportement à long terme des composites à matrice organique (CMO) avec des renforts fibreux est un enjeu important pour les concepteurs et pour les utilisateurs. L’optimisation des performances des matériels, et en conséquence des matériaux qui servent à les élaborer, sur des durées de plus en plus longues nécessite de disposer de modèles de plus en plus fiables, prenant en compte l’ensemble des sollicitations subies et des dégradations induites avec leur mode de propagation en service. Ce comportement se doit d’être totalement intégré à la certification des structures CMO avant leur utilisation.
La durabilité met en jeu des phénomènes complexes, ce qui nécessite de comprendre les mécanismes de dégradation en cause et de coupler des connaissances de chimie, de physico-chimie, de mécanique, de simulation numérique pour aboutir à des modèles de prévision du comportement fiables, conduisant à faire coopérer des équipes pluridisciplinaires à leur étude. Pour mieux prévoir leur comportement à long terme, il est nécessaire de réaliser des vieillissements accélérés et de les corréler aux vieillissements de ces mêmes matériaux, dans leur configuration structurale, et dans leurs conditions d’emploi usuels. Le facteur d’accélération choisit ne doit pas modifier les mécanismes d’évolution du matériau, tous les facteurs d’influence doivent être explorés et leur mode d’action doit être compris. Le retour d’expérience de leur comportement en environnement d’utilisation est primordial pour valider les modèles de prévision qui peuvent être élaborés.
Cet article tente de définir les mécanismes et les phénomènes susceptibles de contribuer à la dégradation des propriétés des matériaux composites ainsi que la méthode et les moyens de vieillissement à mettre en œuvre pour établir des modèles de prévision fiables du comportement à long terme, ou tout au moins pour en prévoir le comportement en utilisation. Il se focalise plus particulièrement sur les CMO utilisés pour des applications structurale et, recense à travers divers exemples, les phénomènes de vieillissement susceptibles d’être rencontrés en service. L’application de la méthode de prévision du comportement à long terme et des moyens d’essais à des exemples précis est rapportée dans l’article [AM 5 321].
Cet article vient en complément des différents articles relatifs aux études du vieillissement [AM 3 150], , [AM 3 152], [AM 3 153] et fait appels aux méthodes de caractérisation tant physico-chimiques [AM 3 271], [A 3 273], [AM 3 282], [AM 3 274], [P 3 764], [P 3 766], que mécaniques [AM 5 405] décrites par ailleurs dans les recueils des TI.
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Matériaux et éprouvettes représentatifs. Conditions d’exposition
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3. Méthodologie d’étude du comportement à long terme
La méthode employée vise à définir au mieux les paramètres pertinents caractérisant l’état vieilli pour établir un lien entre l’évolution des propriétés mécaniques et les modifications éventuelles de la matrice dans le composite identifiées par des méthodes physico-chimiques. Le choix de ces paramètres constitue une étape essentielle dans la prise en compte des phénomènes couplés.
La prévision du comportement se fait principalement en réalisant des essais de vieillissements accélérés qui doivent être aussi réalistes que possible, et en combinant des expositions en température avec de l’humidité et des sollicitations mécaniques censées représenter au mieux les sollicitations qui sont rencontrées par le CMO en utilisation. La propriété qui est suivie plus particulièrement est celle qui conditionne son dimensionnement et son utilisation.
La certification en utilisation des CMO nécessite :
-
de réaliser successivement une caractérisation chimique, physico-chimique, une étude de la technologie de mise en œuvre en s’appuyant sur la simulation pour qualifier le procédé ;
-
de s’intéresser à l’assemblage, à l’analyse de la répartition des contraintes et de leur faire subir un ensemble d’essais mécaniques susceptible d’aller de l’éprouvette jusqu’à la structure.
3.1 Démarche de certification
La démarche à adopter pour prévoir le comportement à long terme d’un matériau, utilisé dans une structure en service, comporte quatre phases :
-
la première phase correspond à la caractérisation des matériaux et à la modélisation des comportements (détermination de relations structures/propriétés). La caractérisation physico-chimique permet d’identifier l’ensemble des constituants de la matrice, tant ceux relatifs au polymère (ou prépolymère), que ceux relatifs aux adjuvants, et de déterminer les points du réseau sensible à la dégradation en fonction des conditions d’utilisation ;
-
la deuxième phase consiste à déterminer le domaine de contraintes et de températures maximum d’utilisation du matériau dans lequel est réalisé la modélisation du comportement. Les phénomènes...
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - Composite materials: an extremely fragmented global market. - JEC Composites , pp. 26-31, april 2004.
-
(2) - BANK (L.C.), GENTRY (T.R.) - Accelerated test methods to determine the long term behaviour of FRP composites structures – environmental effects. - J. Reinf. Plastics and Compo, , 1995.
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(3) - DONG (S.), GAUVIN (R.) - Application of dynamic mechanical analysis for the study of interfacial region in carbon fibre/epoxy composite materials. - Polymer Composite, , 414-420, 1993.
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(4) - Annales des composites - Délaminages des multicouches, phénomène, modèles et cri-tères. - JST AMAC, 25/05/2000.
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(5) - DIRAND (X.) : Thèse Université de Mulhouse - Étude des interfaces et interphases verre/résine vinylester. - 1994.
-
(6) - WISNOM (M.R.), POTTER (K.D.) - Mechanisms generating...
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