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Mécanique de la rupture de fibres dans les composites stratifiés

Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés au sein des structures, et en particulier dans les domaines où de bonnes caractéristiques mécaniques spécifiques (c’est-à-dire la caractéristique mécanique ramenée, ou divisée, par la masse volumique) sont nécessaires. Cela est en particulier vrai dans les domaines des transports, et plus spécifiquement dans l’aéronautique ou le spatial, et de plus en plus dans d’autres domaines tels que l’automobile, le naval ou le ferroviaire. L’un des avantages principaux des matériaux composites est évidemment le poids qui permet d’alléger les structures, et donc de diminuer la consommation de carburant des véhicules et ainsi de diminuer l’impact écologique de nos déplacements.

Cet article se focalise sur la rupture translaminaire des stratifiés composites à matrice polymère renforcée par des fibres longues. Le mode de rupture dépend alors principalement de la séquence d’empilement (ou drapage) du stratifié c’est-à-dire de l’orientation des fibres dans chaque pli. La distribution spatiale des fibres va alors conditionner la capacité du matériau à dissiper l’énergie mécanique lors de la croissance du dommage au sein d’un composite stratifié. Ainsi, les méthodes à mettre en œuvre pour évaluer cette dissipation d’énergie lors de la rupture vont être orientées par la contribution des différents plis à la rupture translaminaire. Selon la configuration rencontrée, l’objectif général est :

• d’identifier rapidement les techniques expérimentales applicables ;

• de quantifier les grandeurs matériau intrinsèques à la rupture telles que la ténacité (fonction du mode de rupture), la croissance des fissures, l’évolution du taux de restitution d’énergie.

Dans une première partie seront rappelées les principales notions de mécanique de la rupture permettant d’appréhender le reste de l’article. Il s’agira en particulier de rappeler les notions de modes de rupture, de facteur d’intensité des contraintes, de taux de restitution d’énergie ou de ténacité. Les différents essais expérimentaux permettant de mesurer les ténacités, ainsi que les normes associées, seront également présentés. En pratique, ces méthodes sont basées sur des éprouvettes ayant une géométrie spécifique (fonction du mode de sollicitation : traction, compression, flexion) et un « pré-défaut » (entaille ou trou). L’intérêt d’un pré-défaut usiné dans le matériau est de concentrer les contraintes dans une zone de croissance du dommage qui va permettre de favoriser différents mécanismes d’endommagement dissipatifs.

Dans une deuxième partie les principaux modes d’endommagements dans les structures composites stratifiées seront présentés. Il s’agira en particulier de mieux comprendre quels types de dommages induisent une rupture translaminaire et d’en appréhender toute la complexité. Les mécanismes de rupture translaminaire seront présentés selon le mode de sollicitation (traction, compression, écrasement, cisaillement) avec un éclairage particulier sur les paramètres (nature de la matrice, architecture du renfort...) influençant la dissipation d’énergie mécanique lors de la rupture de fibres.

Enfin, dans la dernière partie, les résultats de différents essais expérimentaux de la mesure de la ténacité seront présentés selon le mode de sollicitation (traction, compression, écrasement, cisaillement). Puis quelques valeurs caractéristiques de ténacité à rupture de fibres sous sollicitation de traction et compression de composites stratifiés structuraux seront discutées, et en particulier le lien existant entre la ténacité d’un pli et celle du stratifié. Enfin la dissipation d’énergie lors du crash, en particulier l’énergie spécifique absorbée (SEA), sera abordée.