Effet du vieillissement hygrothermique et modélisation du délaminage dans un composite carbone/époxy PDF Download
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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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"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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Notre thèse s'insère dans le cadre du projet ANR Micro « Matériaux Innovants Composites pour la Réparation d'Ouvrages : Approche fiabiliste du dimensionnement pour leur requalification et la prédiction de leur durabilité » L'objectif principal de la thèse est d'appréhender le problème de la durabilité par une approche expérimentale phénoménologique multi-échelle et de proposer des modèles de durée de vie au sens probabiliste. Le matériel d'étude est un carbone/époxy bidirectionnel non équilibré en masse (70% /30%) réticulé à l'ambiante et mis en œuvre par moulage au contact. Six vieillissements hygrothermiques obtenus par croisement entre les températures (20°C, 40°C et 60°C) et les humidités (50%, 75% et immersion) à diverses échéances ont été réalisés au cours de l'étude. Après identification des divers indicateurs, nous avons réalisé des analyses physico-chimiques (absorption-désorption, DSC, TMA, Infrarouge, DMA et Tomographie) ainsi qu'un suivi des caractéristiques mécaniques (traction, cisaillement interlaminaire, pull-out et double cisaillement) afin de définir les différents mécanismes de dégradation des propriétés mécaniques et physicochimiques des matrices polymères, des interfaces fibres-matrice, des joints de colle à l'interface composite-structure renforcée au cours du vieillissement pour le système classique Carbone/Epoxy. Ces indicateurs ont été analysés statistiquement afin de valider plus rigoureusement les tendances qui ont été observées. Le suivi des indicateurs mécaniques de performance par le vieillissement accéléré a été réalisé puis comparé à 1 an de vieillissement naturel. L'antagonisme des différents mécanismes de dégradations a été mis en évidence dans le cas de traction simple et du cisaillement interlaminaire. Il ressort que la plastification est le mécanisme qui affecte le plus les performances des composites carbone/époxy. Pour les températures élevées, il semble que la post-réticulation en densifiant le réseau a amélioré les cohésions interfaciales, ce qui a inhibé l'impact de la dégradation thermique sur les performances mécaniques. En comparant avec le vieillissement naturel, on a pu remarquer que le vieillissement en milieu aqueux était plus dégradant de façon générale et accélérait convenablement la dégradation en milieu naturel. En particulier, les tendances observées ne suivent pas des évolutions qui permettent d'apprécier trivialement la chute de performance par des modèles de prédiction. La qualité de l'adhérence composite/béton a été évaluée par des tests d'arrachement. Les fortes disparités entre les résultats rendent les interprétations délicates. Mais il a été mis en évidence que la post-réticulation semblent améliorer la cohésion tandis que la plastification est très néfaste pour la stabilité du joint de colle accélérant de façon excessive la dégradation en comparaison avec le vieillissement naturel. Cette instabilité a également été prouvée par les tests de double cisaillement où le délaminage était observé dès les premières échéances de vieillissement. La dernière partie du travail a consisté à proposer un traitement statistique des données pour valider tout d'abord les tendances observées expérimentalement, apporter plus d'informations et discuter sur le choix des modèles de prédiction. Bien que très apprécié par la communauté, l'utilisation des modèles physiques n'est pas systématique car elle suppose des performances dégénératives, ce qui en pratique n'est pas le cas. Une approche physique a été proposée sur la base de données épurée afin de respecter les conditions d'écriture du modèle. Le modèle choisi pour prédire la résistance ultime en traction est conservateur mais a le mérite d'être utilisable pour des études de fiabilité. L'enrichissement bayésien pourra être utilisé pour démontrer l'avantage qu'il peut conférer dans les études de fiabilité
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Les composites sont devenus des matériaux courants dans l'industrie dès lors que la performance est recherchée. Les matrices polymères renforcées de fibres de verre ou de carbone sont utilisées dans l'aéronautique, l'automobile et le sport pour leurs propriétés spécifiques très élevées. Depuis peu, les fibres naturelles sont envisagées comme renforts pour les matériaux polymères pour concilier performance et écologie. Cependant, l'utilisation de pièces structurales utilisant des fibres végétales se heurte à un inconvénient majeur : leur vieillissement rapide causé par une forte sensibilité à l'humidité. Dans ce mémoire, nous avons cherché à estimer la durée de vie de ces composites à travers une caractérisation de l'endommagement en atmosphère humide du matériau, et une modélisation de son absorption d'humidité. Parmi les différentes fibres végétales disponibles, le lin a été choisi pour renforcer une matrice acrylique de la gamme « Elium ». Cette acrylique de nouvelle génération est un thermoplastique dont la polymérisation peut s'effectuer à froid par ajout d'un catalyseur au même titre que la plupart des thermodurcissables, et permet donc une bonne imprégnation des fibres, et évite tout endommagement thermique des fibres de lin. L'impact du vieillissement hygrothermique du composite sur ses propriétés mécaniques a été étudié en sollicitant le matériau à des cycles d'humidité. Ce protocole a permis de différencier deux effets du vieillissement : la plastification du composite causée par la présence de molécules entre les chaînes polymériques, et l'endommagement de la structure par fragilisation de l'interface fibre/matrice et l'oxydation de la cellulose. Le premier effet est réversible par séchage alors que le second est permanent, et est le plus dommageable pour la structure. Une loi de comportement hydromécanique a pu être déduite de ces essais, et sera utilisée en parallèle d'un modèle de diffusion par éléments finis afin de déterminer l'évolution à long terme des propriétés du composite soumis à un environnement réel. Le modèle prédit une baisse de plus de 50% du module élastique, et 60% de la contrainte à rupture après un temps d'utilisation de seulement un an. Néanmoins, le modèle utilisé se base sur de nombreuses hypothèses, notamment concernant la sensibilité de l'endommagement hydrique à la température. Une étude complémentaire est donc nécessaire afin de définir une réelle durée de vie de ces matériaux.
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Ce travail porte sur la modélisation de l'endommagement et la rupture par délaminage des assemblages multicouches renforcés par composites. Des essais de rupture en extrémité de joint d'interfaces collées aluminium / composite, et de rupture par cisaillement interlaminaire de stratéfiés tubulaires carbone / époxy ont d'abord permis d'observer 2 formes d'amorçage distinctes, en statique comme en fatigue. Afin de mettre en oeuvre la mécanique linéaire élastique de la rupture, des modélisations analytiques des champs de contraintes linéaires ont été effectuées avec la mécanique des poutres et la théorie de l'élasticité anisotrope en milieu continu homogène. La simulation numérique aux éléments finis a permis de représenter plus précisément les phénomènes non linéaires en incluant le comportement viscoplastique de l'aluminium et la séparation interfaciale de type fragile. La recherche d'une méthodologie de simulation aux éléments finis par un modèle de zone cohésive commercial nous a conduits à proposer une homogénéisation de la zone interfaciale. Ce schéma a été repris pour la caractérisation mécanique d'un assemblage de préimprégnés carbone-époxy collés, afin d'évaluer l'influence du vieillissement humide sur les propriétés de fluage et de tenacité interfaciale
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Les structures aéronautiques carbone/époxy sont soumises à des environnements extérieurs alliant température et humidité dont la conséquence première est l'absorption par la résine époxy de molécules d'eau. Dans un premier temps, un modèle de propagation des molécules d'eau a été mis en place. Son intérêt se situe dans la prise en compte de la réaction chimique d'hydrolyse des groupements époxydes non-réticulés au sein de la résine qui vient se coupler au mécanisme de diffusion de Fick. Une seconde partie traite des effets de la présence locale des molécules d'eau sur les modules d'élasticité d'un pli élémentaire composite. Le niveau de concentration en eau donne le degré de plastification de la résine époxy par l'intermédiaire de la baisse de sa température de simple ramolissement. L'utilisation d'un modèle micro-mécanique permet alors d'obtenir les évolutions des modules d'élasticité d'un pli composite. Le troisième volet de ces travaux concerne l'étude des effets des environnements hygrothermiques cyclés et montre le caractère spécifique de ce type de sollicitations par rapport à un chargement monotone, notamment en terme d'endommagement du composite.
Author: Luc R. LeBlanc Publisher: ISBN: 9781369663846 Category : Languages : fr Pages : 0
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"Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés dans des domaines tels que l'aérospatiale, les voitures à hautes performances et les équipements sportifs, pour en nommer quelques-uns. Des études ont démontré qu'une exposition à l'humidité nuit à la résistance des composites en favorisant l'initiation et la propagation du délaminage. De ces études, très peu en traitent de l'effet de l'humidité sur l'initiation du délaminage en mode mixte I/II et aucune ne traite des effets de l'humidité sur le taux de propagation du délaminage en mode mixte I/II dans un composite. La première partie de cette thèse consiste à déterminer les effets de l'humidité sur la propagation de délaminage lors d'une sollicitation en mode mixte I/II. Des éprouvettes d'un composite unidirectionnel de carbone/éposy (G40-800/5276-1) ont été immergées dans un bain d'eau distillée à 70°C jusqu'à saturation. Des essais expérimentaux quasi-statiques avec des chargements d'une gamme de mixités des modes I/II (0%, 25%, 50%, 75% et 100%) ont été exécutés pour déterminer les effets de l'humidité sur la résistance au délaminage du composite. Des essais de fatigue ont été réalisés, avec la même gamme de mixité des modes I/II, pour déterminer l'effet de l'humidité sur l'initiation et sur le taux de propagation du délaminage. Les résultats des essais en chargement quasi-statiques ont démontré que l'humidité réduit la résistance au délaminage d'un composite carbone/époxy pour toute la gamme des mixités des modes I/II, sauf pour le mode I où la résistance au délaminage augmente après une exposition à l'humidité. Pour les chargements en fatigue, l'humidité a pour effet d'accélérer l'initiation au délaminage et d'augmenter le taux de propagation pour toutes les mixités des modesI/II."--Sommaire.
Author: El Hadi Saidane Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 0
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L'objectif de ce travail est d'étudier l'effet de différents types de vieillissement sur le comportement mécanique en traction de matériaux composites à fibres de lin et de verre et hybrides lin-verre. L'effet de plusieurs types de vieillissement a été d'abord analysé dans le cas de matériaux composites stratifiés à fibres de lin. Cette étude a permis de suivre l'absorption d'eau dans ces matériaux, et de déterminer leurs paramètres de diffusion en utilisant les modèles de Fick 1D et 3D. Ces paramètres ont été estimés en utilisant une procédure itérative développée à l'aide du logiciel Matlab. Ensuite, une caractérisation des propriétés élastiques et ultimes, à partir des essais de traction des matériaux composites non vieillis et vieillis a été réalisée. Dans le but de réduire l'absorption d'eau et d'améliorer les propriétés mécaniques des composites à fibres de lin, l'hybridation des renforts sergé lin-verre a été choisie. Après l'analyse du comportement mécanique des différents matériaux, l'identification des mécanismes d'endommagement est ensuite menée en utilisant une méthodologie associant la technique d'émission acoustique (EA) et des observations microscopiques. Les signaux d'EA ont été analysés, en considérant une analyse multivariable avec le Logiciel Noesis. La dernière partie aborde une 1ère étape de la modélisation des propriétés élastiques des composites hybrides lin-verre. A partir d'une décomposition de la cellule de base, l'application de la théorie des stratifiés a permis de déterminer les propriétés élastiques du composite en fonction de ses constituants (fibres et matrice) en tenant compte de la géométrie de l'armure.
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.
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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
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Ce travail est une contribution à la compréhension de la formation de défauts d’élaboration spécifiques au procédé RTM et à l’évaluation de leur influence sur la tenue thermomécanique d’un composite stratifié [0°;90°]6 comprenant un renfort satin 5 12K de carbone AS7 et une résine époxy RTM6. Dans un premier temps, des matériaux composites de référence (sans vides) et des composites à porosité contrôlée ont été fabriquées à l’aide d’un moule instrumenté équipé de capteurs de flux, pression et température permettant un contrôle précis du débit et de la température d’injection de la résine. Puis, des analyses par attaque acide, ultrason C-Scan et tomographie X ont été menées pour caractériser les vides en termes de taux volumique, morphologie et localisation. Par la suite, ces matériaux ont été sollicités en cisaillement interlaminaire et en flexion par flambement à l’état neuf ou après vieillissement hygrothermique. A l’état neuf, les matériaux ont été testés dans des conditions de référence (25°C, 40% HR) et à chaud (110°C, 4% HR). Les matériaux vieillis ont été testés à 25°C, 95% HR. Les abattements des propriétés mécaniques en fonction de la porosité ont été confrontés aux résultats expérimentaux et aux modèles rapportés dans la bibliographie. Les endommagements relevés in situ sur les éprouvettes de flexion par flambement, avec ou sans porosité, ont été corrélés à l’émission acoustique afin d’établir un scénario d’endommagement depuis le seuil d’amorçage jusqu’à la rupture. Ainsi donc, nous avons pu définir une corrélation entre les paramètres d’élaboration, la présence de défauts (vides intra et inter-torons) et l’abattement des propriétés thermomécaniques.
Author: Benoit Landry
Author: Benoit Landry
Author: Wendlamita Zombré
Author: Ludovic Freund
Author: Odnel Calme
Author: Sébastien Didierjean
Author: Luc R. LeBlanc
Author: El Hadi Saidane
Author: Robert Chlela
Author: Sofiène Marouani
Author: Sébastien Arnaud