Vieillissement de matériaux composites carbone/époxy pour applications aéronautiques PDF Download
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Les stratifiés composites exposés à haute température subissent une dégradation induite principalement par la thermo-oxydation de la matrice. Celle-ci se manifeste par la formation d'une couche oxydée de faible épaisseur à la surface des pièces. Ce phénomène superficiel induit une perte de masse et provoque une modification du comportement mécanique. L'objectif de cette étude est la prévision du comportement et l'évolution des propriétés de la matrice époxy et de trois stratifiés époxy-carbone (UD, [03/903]s et [453/-453]s) soumis à un vieillissement isotherme ou un cyclage thermique sous environnement oxydant. Un modèle de simulation fondé sur un schéma standard d'oxydation de la matrice couplé avec l'équation de diffusion de l'oxygène a été mis en place, il permet de prédire le profil de la concentration des produits d'oxydation à partir duquel on détermine les épaisseurs des couches oxydées et les pertes de masse. Ce modèle a été validé dans le cas du vieillissement isotherme et du cyclage thermique du composite UD. L'accord entre la théorie et l'expérience est excellent pour la perte de masse jusqu'à l'apparition des fissures et acceptable pour les épaisseurs de couche oxydée. La thermo-oxydation de la matrice induit une fragilisation de la zone de peau dont les propriétés mécaniques sont différentes de celles du coeur du matériau. L'étude expérimentale des propriétés mécaniques instantanées de la couche oxydée montre une chute du module d'Young et des propriétés à la rupture au cours du vieillissement. De même la ténacité de la couche oxydée de la matrice diminue en fonction de l'avancement de l'oxydation. Les fissures sont créées sur les bords et se propagent vers le coeur de l'échantillon au fur et à mesure que le matériau est vieilli. Elles peuvent induire une fragilisation totale et un changement global du comportement mécanique de l'échantillon.
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Les stratifiés composites exposés à haute température subissent une dégradation induite principalement par la thermo-oxydation de la matrice. Celle-ci se manifeste par la formation d'une couche oxydée de faible épaisseur à la surface des pièces. Ce phénomène superficiel induit une perte de masse et provoque une modification du comportement mécanique. L'objectif de cette étude est la prévision du comportement et l'évolution des propriétés de la matrice époxy et de trois stratifiés époxy-carbone (UD, [03/903]s et [453/-453]s) soumis à un vieillissement isotherme ou un cyclage thermique sous environnement oxydant. Un modèle de simulation fondé sur un schéma standard d'oxydation de la matrice couplé avec l'équation de diffusion de l'oxygène a été mis en place, il permet de prédire le profil de la concentration des produits d'oxydation à partir duquel on détermine les épaisseurs des couches oxydées et les pertes de masse. Ce modèle a été validé dans le cas du vieillissement isotherme et du cyclage thermique du composite UD. L'accord entre la théorie et l'expérience est excellent pour la perte de masse jusqu'à l'apparition des fissures et acceptable pour les épaisseurs de couche oxydée. La thermo-oxydation de la matrice induit une fragilisation de la zone de peau dont les propriétés mécaniques sont différentes de celles du coeur du matériau. L'étude expérimentale des propriétés mécaniques instantanées de la couche oxydée montre une chute du module d'Young et des propriétés à la rupture au cours du vieillissement. De même la ténacité de la couche oxydée de la matrice diminue en fonction de l'avancement de l'oxydation. Les fissures sont créées sur les bords et se propagent vers le coeur de l'échantillon au fur et à mesure que le matériau est vieilli. Elles peuvent induire une fragilisation totale et un changement global du comportement mécanique de l'échantillon.
Author: Marco Gigliotti Publisher: ISTE Group ISBN: 1784052833 Category : Composite materials Languages : fr Pages : 123
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L’utilisation des composites à matrice organique pour des applications structurales à haute température est de plus en plus souvent envisagée, notamment dans certaines zones de turbomachines aéronautiques. A cette fin, il devient nécessaire d’analyser les effets du vieillissement thermo-oxydant sur le comportement mécanique d’un polymère et des composites associés. Cet ouvrage met en relief des méthodologies expérimentales originales qui permettent, par analyse inverse, de développer et d’identifier une loi de comportement du polymère dépendant du vieillissement ainsi que les déformations d’origine chimique. Ces informations sont utilisées pour le calcul des contraintes internes induites par un vieillissement thermo-oxydant dans des composites unidirectionnels à fibres continues de carbone. Comportement mécanique des composites à matrice organique se différencie des autres ouvrages par son approche. Il examine des lois de comportement thermomécaniques locales dépendant de l’oxydation grâce à l’emploi d’essais couplés et non couplés à l’échelle microscopique. Il présente des modèles originaux afin d'intégrer toute la richesse de la phénoménologie observée expérimentalement, grâce à l'emploi de variables internes correctement choisies.
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L'utilisation d'un composite Carbone/Carbone 2D est envisagée pour des pièces de structure, travaillant entre 150 et 400°C, dans l'aéronautique civile. Dans ce domaine de température, la durabilité de ces matériaux n'est pas connue car ils n'ont jamais été développés pour de telles applications. Une première approche a permis de corréler la réactivité chimique des constituants élémentaires (fibres et matrices) à leur état d'organisation structurale. Les vieillissements réalisés sur matériau composite ont ensuite mis en évidence qu'un faible taux d'oxydation pouvait conduire à un abaissement significatif des propriétés mécaniques résiduelles. Les fissures et les décohésions consécutives au procédé d'élaboration conduisent à une oxydation préférentielle du composé le plus réactif et à la ruine prématurée du composite par délaminage. L'évolution des propriétés de ce matériau sur de longues durées est finalement discutée afin d'évaluer sa capacité à remplacer les matériaux métalliques dans des pièces aéronautiques.
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L’oxydation conduit à une modification des propriétés mécaniques de la matricepolymère, associée à sa fragilisation, et à la création de déformations résiduelles (retrait) qui induisent l'amorçage et le développement d'endommagements. Avec l’objectif de prévoir l’amorçage de ces endommagements, il est nécessaire de calculer l’état des contraintes à différentes échelles du matériau vieilli. Il faut donc disposer demodèles de comportement du polymère et du composite dépendant du niveau d’oxydation. Deux types de difficultés se présentent : l’une associée à la nature locale de ce phénomène, difficilement captée par des essais classiques (traction, compression...) et l’autre de par l’aspect visqueux du comportement mécanique, qui doit être identifié sur les temps courts et les temps longs. Ce travail – conduit dans le cadre du programme COMPTINN' – est consacré à l'étude des effets de la thermo oxydation sur le comportement mécanique de deux polymères (une résine Epoxy et une résine Polyimide) et des composites associés (à fibres de carbone), ainsi qu'à la caractérisation de l'amorçage des endommagements induits par la thermooxydation de la matrice. Cette étude se compose de trois parties : mise en place d'une nouvelle méthodologie numérique/expérimentale pour l'analyse des effets de la thermo oxydation sur le comportement mécanique local du polymère et le développement d'une loi constitutive appropriée ; mise en place d'une nouvelle approche numérique/expérimentale pour le calcul du champ des retraits matriciels sur la surface des composites UD, conduisant, au cours du vieillissement, à l’amorçage des décohésions fibre/matrice ; développement d'une technique expérimentale pour l'étude de l'interaction mécanique/oxydation au cours d'essais de fatigue de composites stratifiés.
Author: Nicolas Tual Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 269
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Les matériaux composites sont utilisés dans de nombreuses structures marines et de nouvelles applications sont en cours de développement telles que les pales d'hydroliennes. La fiabilité de ces composants dans un environnement très sévère est cruciale pour la rentabilité de ces systèmes récupérateurs d'énergie des courants marins. Ces structures sont sujettes à de nombreuses forces, telles que les courants marins, les vagues, tempêtes mais également diverses agressions marines telles que l'eau de mer et la corrosion. Une compréhension approfondie du comportement au long terme de ces parties mobiles est donc essentielle. La majorité des développeurs d'hydroliennes ont préféré des pales en carbone. Ainsi il est nécessaire de comprendre comment une longue immersion dans l'océan affecte ces composites. Dans cette étude, le comportement au long terme de différents composites carbone/époxy a été étudié en utilisant des essais de vieillissement accéléré. Une diminution significative des résistances des composites a été observée après saturation en eau de mer. Pour des temps d'immersion plus longs, seulement peu de changements des propriétés apparaissent. Peu d'effets significatifs ont été observés tant sur les modules que sur la ténacité. Ces changements de propriétés sont initialement dus à la plastification de la matrice, suivis par un affaiblissement de l'interface fibre/matrice. L'endommagement peut affecter le comportement au long terme des structures composites et créer de nouveaux chemins préférentiels pour la diffusion de l'eau. En conséquence un modèle basé sur un critère couplé résistance/ténacité a été proposé pour décrire le seuil d'endommagement et basé sur un critère en ténacité pour décrire la cinétique d'endommagement. Il permet de reproduire d'une manière correcte le seuil et la cinétique d'endommagement pour des matériaux vieillis et non vieillis. L'évolution de l'entrée d'eau dans les composites a été suivie dans le but de développer un modèle de diffusion prenant en compte le nature anisotrope des composites. Ainsi le modèle de diffusion a été utilisé sur pale d'hydrolienne. Finalement des premières investigations sur le couplage entre le modèle de diffusion et l'endommagement ont été réalisées. Cette étude a contribué au développement d'outils pour quantifier la durabilité au long terme des pales d'hydroliennes en composites.
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L'objectif principal de cette étude est de prédire l'initiation du délaminage en fatigue dans un matériau composite en carbone/polysulfure de phénylène (PPS). Dans le domaine des transports comme l'aéronautique ou l'aérospatiale, de nombreuses applications sont réalisées en matériaux composites en raison de leur rapport résistance/masse volumique élevé. Les matrices thermoplastiques telles que le PPS témoignent d'un certain nombre d'avantages, tels que le recyclage, quand on les compare aux classiques résines thermodurcissables comme l'époxy. En effet, ce matériau peut présenter un taux de cristallinité et une température de transition vitreuse élevés et ainsi avoir de très bonnes propriétés thermomécaniques. Néanmoins avant de réaliser des pièces structurelles en composites thermoplastiques, une connaissance précise et globale du comportement mécanique est nécessaire aussi bien en statique, qu'en fatigue couplé au vieillissement. Plus particulièrement, au cours des essais de fatigue, lorsque le délaminage, défini comme le décollement entre couches adjacentes se produit, très souvent cela signifie une ruine rapide et totale de la structure. Ainsi, afin d'établir un critère capable de prévoir l'amorçage du délaminage, des essais de fatigue à différents niveaux de contraintes et des essais Arcan-Mines ont été réalisés. Cette étude présente une procédure d'évaluation de la résistance d'interfaces des matériaux composites soumis à des chargements cycliques. Enfin, nous proposons un critère fiable d'initiation au délaminage et sa validation pour le matériau étudié.
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Les composites à matrice organique, très employés dans l'aéronautique pour leurs bonnes propriétés mécaniques et leur faible masse volumique, voient leurs propriétés diminuer en service sous l'action de divers paramètres. Cette thèse, réalisée en collaboration avec la société Aircelle (groupe SAFRAN), étudie le rôle de la température et de l'oxygène dans le vieillissement d'un composite carbone/époxy. Ainsi, des stratifiés pleins et multi-troués ont été vieillis à trois températures sous trois atmosphères présentant différentes teneurs en oxygène. La dégradation a été étudiée des points de vue chimique, physique et mécanique. Une couche oxydée différente chimiquement du réseau époxy initial se forme à la surface du matériau. L'endommagement du composite se caractérise de plus par une fissuration extensive des stratifiés. L'évolution des propriétés physiques (DMA) et mécaniques (compression) est reliée à l'oxydation et à la fissuration, en prenant en compte l'architecture du stratifié.
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"Cette thèse porte sur la problématique du délaminage des matériaux composites. Elle est constituée de deux parties distinctes: une étude expérimentale et le développement d'un modèle numérique.--Sommaire.
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L'objectif de cette thèse est d'initier une réflexion sur le vieillissement des matériaux composites utilisés en renforcement des structures du Génie Civil. En effet la méconnaissance de la durabilité des matériaux composites est un frein à leur utilisation. Au cours de ce travail de thèse, nous avons dans un premier temps étudié l’influence des conditions de mise en œuvre sur les propriétés initiales du composite. Dans cette première partie, les composites carbone-Epoxy et carbone-vinylester ont été élaborés par moulage au contact tout en variant le couple Température-Humidité de mise en œuvre et du support béton ainsi que la formulation des systèmes réactifs. Dans la deuxième partie, nous avons sélectionné des cycles de vieillissement reflétant les conditions réelles dans lesquelles travaille le matériau composite en réparation et/ou renforcement des structures. Les composites ont subi un vieillissement accéléré (contrainte thermique, hygrométrique, chimique, thermochimique, hygrothermique, des cycles de gel-dégel,...) pendant 18 mois. En parallèle, nous avons lancé des essais de vieillissement naturel. Un élément prépondérant du vieillissement est le support contact en l’occurrence le substrat béton qui présente un pH basique, ce qui nous a mené à étudier le vieillissement du couple béton-composite. Plusieurs essais de caractérisation de type mécanique ou thermo-rhéologique ont été mis en œuvre afin de suivre l’évolution des propriétés des composites vieillis. La finalité de ce travail de thèse consiste à tester des méthodes de vieillissement représentatives des conditions réelles en génie civil et à développer des essais de caractérisation précis afin de pouvoir déterminer des indicateurs de durabilité fiables. Les résultats enregistrés sur une base de temps de vieillissement programmée entre 0 et 18 mois démontrent que selon le milieu de vieillissement, la nature de la matrice (époxy ou vinylester) et les conditions de mise en œuvre, les propriétés des composite et évoluent différemment au cours du temps
Author: Robert Chlela Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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En France, le patrimoine bâti des ouvrages d'art et bâtiments est vaste et vieillissant. Des rapports récents établis par des experts dressent un constat alarmant de la situation et pointent la nécessité d'augmenter significativement les moyens alloués à la réhabilitation de ce patrimoine. Dans ce contexte, le renforcement structural par collage externe de matériaux composites s'est imposé depuis une vingtaine d'années comme une solution de choix pour la remise à niveau des ouvrages et l'extension de leur durée de vie. Cette thèse, financée par l'ANR, vise, en premier lieu à développer un système de renforcement composite inédit à empreinte environnementale réduite, et d'autre part, à construire d'une démarche fiabiliste permettant d'estimer la durée de vie des systèmes de renforcement et leur probabilité de défaillance à tout instant. Dans le présent manuscrit, les principales phases de développement du système bio-sourcé sont tout d'abord rappelées. On y rappelle notamment que la matrice époxy bio-sourcée a été formulée sur la base d'un cahier des charges établi à partir des caractéristiques de la matrice associée au procédé de renforcement Foreva® TFC, ainsi que les critères ayant guidé le choix du tissu de renforcement unidirectionnel en fibres de lin. Une seconde partie du manuscrit présente l'ensemble des résultats expérimentaux obtenus dans le cadre de la campagne de durabilité sur le système de renforcement bio-sourcé. Cette campagne s'appuie sur un plan d'expériences optimisé par la matrice de Hoke. Des plaques de composite stratifié ainsi que des dallettes de béton renforcées par ce composite ont ainsi été soumis à des vieillissements accélérés en conditions hygrothermiques ainsi qu'à un vieillissement naturel. Dans une première étape, les résultats de différentes caractérisations physico-chimiques réalisées sur le composite bio-sourcé à différentes échéances de vieillissement, mettent en évidence l'importance respective et les effets parfois antagonistes des mécanismes d'évolution microstructurale et des phénomènes de dégradation dans les différentes conditions de vieillissement. Dans une seconde étape, les évolutions des principaux indicateurs des performances mécaniques du composite et de l'interface béton-composite dans les différents milieux de vieillissement sont présentées et interprétées à la lumière des caractérisations physico-chimiques précédentes. Dans une troisième étape, des éléments de comparaison sont apportés entre le système composite bio-sourcé et un système traditionnel à fibres de carbone. La dernière partie du manuscrit est consacrée à la mise en œuvre de la démarche fiabiliste à partir de la base de données expérimentale collectée précédemment pour le système bio-sourcé. Une analyse statistique par la méthode ANOVA (analyse de la variance) est d'abord réalisée sur l'ensemble des données expérimentales. Deux modèles de dégradation ont ensuite été élaborés en vue de décrire l'évolution des indicateurs de performance dans le temps pour toute condition de vieillissement hygrothermique : un modèle analytique incluant de manière explicite les effets quadratiques et le couplage entre la température et l'humidité relative, et un modèle physique basé sur la loi d'Eyring. L'étape suivante a ensuite consisté à utiliser ces modèles pour estimer des durées de vie du système de renforcement bio-sourcé dans les conditions de vieillissement accéléré. Des critères de fin de vie du système ont été définis à partir des recommandations de dimensionnement proposées notamment par les guides ACI et AFGC. En vue d'évaluer la durée de vie en condition de service, une procédure spécifique a ensuite été proposée pour appliquer le modèle analytique dans le cas du vieillissement naturel. Enfin, une probabilisation du modèle analytique est réalisée de manière à déterminer la probabilité de défaillance du système de renforcement bio-sourcé à tout instant de sa durée de vie.
Author: Walid Trabelsi
Author: Walid Trabelsi
Author: Marco Gigliotti
Author: Xavier Bertran
Author: Matteo Minervino
Author: Nicolas Tual
Author: Josserand Bassery
Author: Isabelle Ammar-Khodja
Author: Benoit Landry
Author: Sofiène Marouani
Author: Robert Chlela