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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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2. Vieillissement des composites à matrice organique
Les mécanismes de vieillissement des composites à matrice organique (CMO) sont très divers et varient en fonction du polymère, des conditions de vieillissement comme la température, l’humidité, la pression d’oxygène, mais aussi en fonction de l’état de référence (cycle de cuisson, vitesse de refroidissement, contraintes internes), des conditions de mise en œuvre [injection, contact, RTM (Resin Transfer Molding...)], de la structure des matériaux (géométrie). Ils n’impliquent pas forcément une dégradation des propriétés mécaniques, bien que dans le cas des matériaux composites pour des applications structurales ce soit ces propriétés qui servent à définir le dimensionnement pour la certification en service et pour limiter la durée d’emploi.
Des données pour aborder le comportement à long terme des structures monolithiques sont disponibles, mais le problème se complexifie avec le développement de nouvelles matrices (autoadhésives, multiphasiques...), l’utilisation de plus en plus fréquente des nouvelles structures hybrides comme des panneaux sandwiches, voire multisandwiches, des stratifiés aluminium/tissu verre – résine époxyde/adhésif (matériau Glare) permettant une amélioration de la tenue en fatigue et à la propagation de fissures de l’aluminium, mais plus difficilement réparable. Pour ces matériaux hybrides, les différences de sensibilité thermique, hydrique, mécanique, des divers éléments, ainsi que l’apparition de nouvelles technologies de mise en œuvre, sont très importantes à évaluer pour prévoir le comportement. De même, le développement des CMO renforcés par des nanoparticules de carbone (nanotubes) ou par des fibres naturelles, conduit à des nouveaux matériaux pour lesquels le comportement dans le temps en fonction de leur utilisation et du but recherché (biodégradation, recyclage...) reste encore à établir.
L’évaluation du comportement dans le temps des CMO nécessite également d’aborder la problématique de leur tenue au feu. Les CMO sont beaucoup plus sensibles que les matériaux métalliques à ce type d’agression et demandent à être protégés par des protections thermiques, par des additifs (retardateur de flamme, additifs ignifugeants, produits intumescents...). L’étude du comportement des CMO face à cette nature d’agression nécessite des travaux particuliers de caractérisation des protections, de leur...
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BIBLIOGRAPHIE
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(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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