Prise en compte du vieillissement et de
lendommagement dans le dimensionnement de
structures en materiaux composites
Julien Mercier
To cite this version:
Julien Mercier. Prise en compte du vieillissement et de lendommagement dans le dimension-nement de structures en materiaux composites. Mechanics. Ecole Nationale Superieure desMines de Paris, 2006. French.
HAL Id: tel-00156986
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Submitted on 25 Jun 2007
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Collge doctoral
ED n 432 : Sciences des mtiers de lingnieur
N attribu par la bibliothque |__|__|__|__|__|__|__|__|__|__|
THESE
pour obtenir le grade de Docteur de lEcole des Mines de Paris
Spcialit Sciences et Gnie des Matriaux
prsente et soutenue par
Julien MERCIER
le 20 novembre 2006
PRISE EN COMPTE DU VIEILLISSEMENT ET DE LENDOMMAGEMENT DANS LE DIMENSIONNEMENT DE
STRUCTURES EN MATERIAUX COMPOSITES
Directeurs de thse : A. R. BUNSELL, J. RENARD
Jury
Mme. M.-C. LAFARIE-FRENOT Prsidente M. A. VAUTRIN Rapporteur Mme. P. KRAWCZAK Examinatrice
M. P. CASTAING Examinateur M. A.R. BUNSELL Directeur de thse
M. J. RENARD Directeur de thse
Centre des Matriaux P.M. Fourt de lEcole des Mines de Paris, BP 87, 91003 EVRY Cedex
i
REMERCIEMENTS
Je tiens tout dabord remercier mes directeurs de thse Anthony Bunsell et Jacques Renard pour
mavoir accord trs largement leur confiance pour ces travaux de recherche. Jai beaucoup
apprci leur disponibilit, la qualit de nos changes, les tentatives de discussions en anglaisLa
pertinence de leurs points de vue et de leurs conseils ont t dune grande richesse pour moi et
ont permis dorienter ltude au mieux et datteindre les objectifs fixs.
En parallle, je remercie le CETIM pour mavoir donn lopportunit de travailler sur ce sujet
concret et motivant. Merci H. Mallard et P. Castaing, qui en sont lorigine et qui ont suivi son
volution.
Merci aussi aux directeurs successifs du Centre des Matriaux, Jean-Pierre Trottier et Esteban
Busso, de mavoir accueilli pendant ces trois annes.
Je remercie vivement les membres du jury pour lattention quils ont porte mon travail et pour
les changes scientifiques qui ont pu en dcouler avant ou pendant la soutenance. Merci aux
rapporteurs, M.-C. Lafarie Frenot et A. Vautrin, et aux examinateurs, P. Krawczak et P. Castaing.
Je tiens ensuite remercier le Centre des Matriaux dans tout son ensemble.
Un grand merci Alain Thionnet pour sa disponibilit, la contribution quil a apporte ce projet
et sans qui lavance du modle dvelopp nen serait srement pas l aujourdhui.
Merci ensuite Yves Favry, Jean-Christophe Teissdre et Yann Auriac, qui ont su apporter toutes
leurs comptences cette tude, de nombreuses occasions et dans de nombreux domaines (la
liste serait trop longue). Leur exprience dans le laboratoire ma t prcieuse. Merci galement
Anne Piant pour ses nombreux conseils, dans la prparation des exposs notamment. Jen
profite pour remercier Michel Boussuge de nous avoir accueillis (et supports) chez lui, lors de
lECCM. Je remercie aussi les spcialistes des quipements, notamment Maria Betbeder pour les
observations au MEB, Alain Naslot, Joseph Valy, et tous les membres de latelier. Merci aussi
Grgory qui a permis de rsoudre bon nombre de problmes informatiques. Pour tous les petits
coups de pouce dans lutilisation de ZBuLoN, je noublie pas non plus les membres de lquipe
Cocas, et tous les autres (la liste est longue).
Je remercie galement Odile Adam pour son aide dans la recherche bibliographique Liliane
Locicero et Valrie Lemercier pour toutes les dmarches administratives.
ii
Je terminerai ce petit tour du Centre par tous les autres, avec qui jai partag de trs bons
moments, en particulier les djeuners gastronomiques de la SNECMA, les pauses-caf o lon
refait le monde, les trajets plus-que-remuant de la navette, lorganisation des petits djeuner
emploi : Anne, Anne-Sophie, Bndicte, Benjamin, Cline, Christophe, Edwige, Elodie,
Graldine, Jean-Christophe, Jos, Julie, Kamel, Karine, Ludovic, Mlissa, Michel, Nicolas,
Olivier, Pongsak, Sandrine, Sbastien(s), Stphanie, Sylvain, Virginie, Yann(s), Yves...
Enfin lensemble du personnel qui contribue la dimension chaleureuse de ce centre de
recherche.
Je souhaite de plus remercier les personnes qui mont permis de traverser ces trois annes de la
meilleure faon et de ne pas penser qu la thse : les tennismen du PUC, les thtreux de
Bistronoia, les amis lyonnais, auvergnats, rodziens, bretons-normands, de la rue couche et
dailleurs
Finalement, je remercie de tout cur Vronique, pour mavoir support (et supporter encore) et
encourag tout au long de ces trois annes (et bien avant aussi). Merci Ghislaine et tous les
Degoute.
Merci mes parents et toute ma famille, qui mont toujours soutenu.
Merci toutes et tous.
******
iii
Ltude prsente ici a t ralise au Centre des Matriaux P.M. Fourt de lEcole Nationale
Suprieure des Mines de Paris (ENSMP), en collaboration avec le Centre Technique des
Industries Mcaniques (CETIM) de Nantes, dans le cadre du laboratoire commun LAMPC.
******
iv
v
RESUME
La prsente tude traite de la durabilit (vieillissement) en milieu humide et de
lendommagement par fissuration de matriaux composites matrice organique (CMO).
La diffusion deau dans le matriau (matrice poxy renforce par des fibres de verre) est
tout dabord analyse exprimentalement par dtermination des cintiques dabsorption sous
diffrentes conditions dhumidit. Des baisses de diffrentes proprits mcaniques en fonction de
la quantit deau absorbe sont mises en vidence et quantifies lors dessais exprimentaux de
traction. Les mcanismes physiques lorigine de ces modifications sont identifis. Un mode
dendommagement particulier, la fissuration intralaminaire, ainsi que son couplage avec lhumidit,
sont aussi tudis exprimentalement. Des diffrences entre volutions rversibles et irrversibles
de proprits sont mises en vidence et analyses en dtail.
Un modle prdictif qui prend en compte les effets dendommagements dorigine
hydrique et/ou mcanique est alors propos. Un calcul coupl diffusion/mcanique, sur un
logiciel de modlisation par lments finis, permet de dterminer le comportement global du
matriau, connaissant le gradient de proprit suivant lpaisseur. Il est donc possible de suivre en
continu au cours du vieillissement lvolution de rigidit du matriau, pour nimporte quel tat de
fissuration et dabsorption (i.e. nimporte quel tat intermdiaire entre tat sec et tat satur en
eau). Des essais numriques de cyclages, la fois de chargement mcanique (charge-dcharge) et
de vieillissement (absorption-schage) ont enfin t mens avec succs. Il est ainsi possible de
simuler nimporte quelle condition (temprature, humidit, paisseur, chargement appliqu) et
donner une estimation des proprits du matriau tout au long de son utilisation.
Mots cls : matriau, composite, vieillissement, diffusion, endommagement, fissuration, modlisation,
dimensionnement.
vi
vii
ABSTRACT
The aim of this study was to better understand the aging of glass fibres-epoxy composites
exposed to humid conditions and loading so as to predict its effects on the lifetimes of composite
structures. Water diffusion was first experimentally investigated by gravimetric method to
determine water sorption kinetics for different humid conditions. A fickian model of diffusion
could describe the results obtained. Specimens, saturated at different levels, were mechanically
characterised. Decreases of mechanical properties as a function of water uptake were revealed by
tensile tests. Damage by cracking and the coupling with humidity were then studied. Differences
between reversible and irreversible changes in properties were revealed and analysed in detail.
A predictive model taking into account effects due to water and/or mechanical loading is
proposed, using finite element method. As a first step, in modelling the diffusion process, the
non-uniform water distribution across the composite are determined for any conditions
(temperature, humidity, aging time). The resulting mechanical properties of the material, as a
function of the absorbed water concentration, are determined in each point. Then,
diffusion/mechanic coupled calculation allows to determine material global properties from
properties at each point. It is then possible to predict continuous evolution of rigidity during aging
time, at all stages of water absorption and matrix cracking, for any condition (temperature,
humidity, thickness, mechanical loading level).
Keywords : material, composite, aging, diffusion, damage, cracking, modelling, prediction.
viii
ix
SOMMAIRE
INTRODUCTION
PARTIE 1 - BIBLIOGRAPHIE ET PRESENTATION DE LETUDE.7
CHAPITRE I - BIBLIOGRAPHIE....9
I.1 PROCESSUS DABSORPTION DEAU ......................................................................................................11 I.1.1 Diffusion Fickienne .................................................................................................................12 I.1.2 Influence du taux dhumidit relative....................................................................................15 I.1.3 Influence de la temprature ....................................................................................................16 I.1.4 Diffusion non fickienne ..........................................................................................................18 I.1.5 Influence de lorientation des fibres.....20 I.1.6 Cintiques de schage ..............................................................................................................21
I.2 EFFETS DU VIEILLISSEMENT HYGROTHERMIQUE ............................................................................24
I.2.1 Mcanismes dhydrophilie...24 I.2.2 Vieillissement physique - Plastification .................................................................................26 I.2.3 Vieillissement chimique...........................................................................................................27 I.2.4 Effets de lhumidit sur les fibres de verre ...........................................................................28 I.2.5 Effets du vieillissement sur levolution des proprits thermomcaniques.....................28 I.2.6 Observations microscopiques des dfauts cres au cours du vieillissement ...................35
I.3 PHENOMENE DENDOMMAGEMENT PAR FISSURATION TRANSVERSE...........................................38 I.3.1 Mcanismes dendommagement dans les composites ........................................................38 I.3.2 La fissuration transverse -ou intralaminaire-........................................................................39 I.3.3 Couplage vieillissement/endommagement par fissuration ................................................45
CHAPITRE II - MATERIAUX ET TECHNIQUES DANALYSE..47 II.1 PRESENTATION DU MATERIAU DE LETUDE....................................................................................48
II.1.1 Dfinitions ...............................................................................................................................48 II.1.2 Proprits des composants du composite...........................................................................49 II.1.3 Les diffrents empilements ...................................................................................................52
II.1.4 Types de structures testes et modes dlaboration.52 II.1.5 Caractristiques du matriau rception.............................................................................54
II.2 TECHNIQUES DANALYSES EXPERIMENTALES ................................................................................58 II.2.1 Mesures dabsorption deau...................................................................................................58 II.2.2 Essais mcaniques de traction....62 II.2.3 Mthode dobservation de lendommagement par fissuration.........................................65 II.2.4 Analyse des proprits viscolastiques dynamiques par essais de DMTA.....................65
x
PARTIE 2 - ETUDE EXPERIMENTALE..67
CHAPITRE III - CINETIQUES DABSORPTION DU MATERIAU EN MILIEU
HUMIDE.69
III.1 ABSORPTION DEAU EN HUMIDITE RELATIVE................................................................................70 III.1.1 Application du modle de Fick ...........................................................................................71 III.1.2 Influence de la temprature .................................................................................................73 III.1.3 Influence de lhumidit relative...........................................................................................73
III.2 ABSORPTION DEAU EN IMMERSION................................................................................................74 III.2.1 Cintiques dabsorption deau .............................................................................................74 III.2.2 Effet dpaisseur....................................................................................................................78 III.2.3 Modle de diffusion pour le cas de limmersion ..............................................................78
III.3 REVERSIBILITE DU PROCESSUS DABSORPTION : CINETIQUES DE SECHAGE ET DE REABSORPTION...79
III.3.1 Cas du vieillissement en humidit relative.........................................................................79 III.3.2 Cas du vieillissement en immersion ...................................................................................80
III.4 CINETIQUES DABSORPTION DEAU DES SEQUENCES STRATIFIES ..............................................81 III.5 CINETIQUES DABSORPTION DEAU DE MATERIAU PREALABLEMENT FISSURE ........................82 III.6 CINETIQUES DE SECHAGE DE MATERIAU PREALABLEMENT FISSURE ........................................84 III.7 CINETIQUES DABSORPTION DE MATERIAU SOUS CHARGE (PREALABLEMENT FISSURE) ........85 III.8 MESURES DE GONFLEMENT.............................................................................................................86 III.9 CONCLUSIONS ....................................................................................................................................87 CHAPITRE IV - INFLUENCE DU VIEILLISSEMENT ET DE LA FISSURATION
SUR LE COMPORTEMENT MECANIQUE.89
IV.1 CARACTERISATION DU MATERIAU NON VIEILLI............................................................................90 IV.1.1 Proprits mcaniques..........................................................................................................90 IV.1.2 Essais de DMTA : Etat de rticulation du matriau avant vieillissement.....................93
IV.2 EVOLUTION DES PROPRIETES THERMO-MECANIQUES AVEC LE VIEILLISSEMENT ...................95 IV.2.1 Evolution des proprits mcaniques ................................................................................95 IV.2.2 Evolution des proprits mcaniques aprs vieillissement puis schage ......................99 IV.2.3 Evolution des parametre de viscosit et plasticite..........................................................102 IV.2.4 Evolution de Tg au cours du vieillissement ....................................................................102 IV.2.6 volution de Tg apres vieillissement puis schage .........................................................105 IV.2.7 Observations microscopique au MEB au cours du vieillissement...............................105 IV.2.8 Bilan des essais mcaniques sur matriau vieilli..............................................................106
IV.3 EVOLUTION DES PROPRIETES MECANIQUES AVEC LA FISSURATION (MATERIAU NON VIEILLI)................................................................................................................108
IV.3.1 Caractristiques de la fissuration.......................................................................................108 IV.3.2 Cintiques dendommagement..........................................................................................111 IV.3.3 Evolutions de rigidit..........................................................................................................113
IV.4 COUPLAGE VIEILLISSEMENT / ENDOMMAGEMENT PAR FISSURATION ...................................116 IV.4.1 Cintique dendommagement dun matriau pralablement vieilli ..............................116 IV.4.2 Cintique dabsorption deau dun matriau pralablement fissur .............................117
IV.5 BILAN DES ESSAIS EXPERIMENTAUX ET DISCUSSION..................................................................119
xi
PARTIE 3 - SIMULATIONS NUMERIQUES..125
CHAPITRE V - PRESENTATION DU MODELE DE COMPORTEMENT .127 V.1 MODELISATION DE LENDOMMAGEMENT ....................................................................................128
V.1.1 gnralits - Revue bibliographique ...................................................................................128 V.1.2 Ecriture du modle de comportement ..............................................................................132
V.2 PRISE EN COMPTE DE LHUMIDITE DANS LE MODELE .................................................................142 V.2.1 Prsentation du problme....................................................................................................142 V.2.2. Dfinition des variables d'tat d'un milieu porolastique ..............................................143 V.2.3 Dfinition d'un milieu porolastique .................................................................................144 V.2.4 Construction de la fonction d'tat. Lois d'tat..................................................................144 V.2.5 Lois de conservation ............................................................................................................146
V.3 ECRITURE DUN PROBLEME AVEC COUPLAGE DIFFUSION ET ENDOMMAGEMENT PAR FISSURATION..............................................................................................................................................149 V.4 PRESENTATION DU CALCUL COUPLE SOUS ZEBULON .................................................................152 CHAPITRE VI - SIMULATIONS DE DIFFUSION ...155 VI.1 DEMARCHE DU CALCUL DE DIFFUSION ........................................................................................156 VI.2 VISUALISATION DES RESULTATS ....................................................................................................157 VI.3 DIFFERENTS CAS TRAITES ..............................................................................................................163
VI.3.1 Diffusion suivant plusieurs directions (diffusion 3D) ...................................................163 VI.3.2 Diffusion isotherme avec conditions dhumidit non symtriques .............................165 VI.3.3 Diffusion anisotherme avec conditions dhumidit symtriques .................................168 V.3.4 Prise en compte dune couche de gelcoat .........................................................................170
VI.4. CYCLES ABSORPTION-SECHAGE ET SUCCESSION DE CONDITIONS DE VIEILLISSEMENT DIFFERENTES.............................................................................................................................................173 VI.5. SIMULATION DE CYCLES DE VOL DE TYPE AVION SUPERSONIQUE .........................................174 VI.6 CONCLUSION....................................................................................................................................179 CHAPITRE VII - MODELISATION DU COMPORTEMENT MECANIQUE .....181 VII.1 PRISE EN COMPTE DE LHUMIDITE SEULE ..................................................................................183
VII.1.1 Prsentation du calcul .......................................................................................................184 VII.1.2 Evolution de rigidit en continu au cours du vieillissement .......................................185
VII.2 PRISE EN COMPTE DE LENDOMMAGEMENT PAR FISSURATION SEUL ....................................190 VII.2.1 Identification de la cintique dendommagement sur la squence 02/904/02 ...........190 VII.2.2 Simulation de la cintique dendommagement sur dautres squences .....................192 VII.2.3 Simulation des chutes de rigidit .....................................................................................194 VII.2.4 Evolution de rigidit lors de cycles de charge-dcharge ..............................................197
VII.3 COUPLAGE VIEILLISSEMENT-FISSURATION DANS LA SIMULATION DES PERTES DE PROPRIETES MECANIQUES ...........................................................................................................198
VII.3.1 Cintiques dendommagement de matriau vieilli ........................................................198 VII.3.2 Evolution de rigidit au cours du vieillissement et de sollicitation mcanique ........200 VII.3.3 Comparaison de matriaux sollicits mcaniquement diffrentes dures de vieillissement ....................................................................................................................................202 VII.3.4 Exemple de couplage direct entre diffusion et endommagement..............................207
VII.4 CONCLUSION DE LA PARTIE SIMULATION ..................................................................................209 CHAPITRE VIII - VALIDATION SUR STRUCTURE DE TYPE TUBE.....211 VIII.1 PRESENTATION DES TUBES .........................................................................................................212 VIII.2 ESSAIS DE TRACTION SUR TUBES ................................................................................................214
xii
VIII.3 CALCULS NUMERIQUES SUR TUBES ET ESSAIS DE VALIDATION..............................................216 VIII.3.1 Dfinition de la gomtrie et de lorientation des plis................................................216 VIII.3.2 Calcul de diffusion ...........................................................................................................217 VIII.3.3 Calcul mcanique .............................................................................................................220
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES223 ANNEXES.228 REFERENCES.233 LISTE DES FIGURES..241
Introduction
1
INTRODUCTION
Contexte industriel et scientifique
Leurs excellentes proprits spcifiques ont positionn les matriaux composites matrice
organique (CMO) comme des candidats vidents pour le remplacement des matriaux
traditionnels dans des domaines aussi divers et exigeants que les transports, lnergie, le nuclaire
et le gnie civil. Ils allient de bonnes proprits mcaniques et une faible densit et peuvent
permettre damliorer les performances et daccrotre la longvit des structures. La mutation a
dj eu lieu avec succs dans de nombreux cas de figures. Elle est lordre du jour pour des
applications de plus en plus exigeantes sur le plan de la fiabilit, mais elle ne pourra soprer que
si la durabilit des matriaux composites est mieux connue. Cette mconnaissance est en partie
lie la complexit des mcanismes de vieillissement, et dendommagement dorigine mcanique.
Les mcanismes de vieillissement des CMO sont trs divers et peuvent varier en fonction du
polymre, des conditions de vieillissement, de la pression d'oxygne, mais aussi en fonction des
conditions de mise en uvre, de l'tat de rfrence (cycle de cuisson, vitesse de refroidissement,
contraintes internes), de la structure des matriaux (gomtrie). Ils n'impliquent pas forcment
une dgradation des proprits mcaniques, bien que dans le cas des matriaux composites pour
des applications structurales ce soit ces proprits qui servent dfinir le dimensionnement.
De tels matriaux sont trs sensibles des contraintes environnementales (humidit, temprature)
et mcaniques qui peuvent crer des dgradations irrversibles et rendre une pice inutilisable. Au
sein des CMO, plus ou moins hydrophiles suivant la nature des composants, leau peut diffuser
au sein de la rsine et de linterface entre les fibres et la matrice. Elle agit comme plastifiant et
peut modifier les proprits des diffrents composants, qui vont voluer au cours du temps. Les
CMO doivent cependant pouvoir satisfaire au cahier des charges et remplir les critres de
durabilit imposs par la dure dexploitation de la structure. Ces critres sont souvent exprims
en terme de performances rsiduelles aprs une certaine dure de service. Il est donc impratif de
connatre lvolution des proprits du matriau au cours du vieillissement, afin de prvoir la
dure de vie ou ltat de rsistance au bout dun temps donn. La dure de vie d'un matriau est
dfinie par le temps pendant lequel ce matriau, ou plus prcisment une de ses proprits, va
conserver sa fonctionnalit dans des conditions bien dfinies, sans ncessiter de rparations
importantes des dommages. La fin de vie est conditionne par l'atteinte d'une limite infrieure de
tenue une contrainte applique.
Introduction
2
Objectifs de ltude
Cette tude sest effectue au Centre des Matriaux de lEcole des Mines de Paris et en
collaboration avec le Centre dEtude Technique de lIndustrie Mcanique (CETIM) de Nantes.
Ltablissement de critres et de modles permettant de prvoir le comportement long terme
des CMO est un enjeu important pour un concepteur comme le CETIM et pour les utilisateurs
de ce type de matriau. L'optimisation des performances des matriaux sur des dures de plus en
plus longues ncessite de disposer de modles de plus en plus fiables, prenant en compte
l'ensemble des sollicitations subies et des dgradations induites avec leur mode de propagation en
service. Ce comportement se doit d'tre totalement intgr la certification des structures CMO
avant leur utilisation.
Lobjectif final de ce projet est de proposer un outil numrique, utilisable dans le contexte du
calcul de structures par Elments Finis, qui permette de prendre en compte, de manire couple
ou non, les sollicitations environnementales et mcaniques dans le dimensionnement de
structures en CMO, et qui permette dvaluer par simulation les proprits mcaniques rsiduelles
en continu au cours de ces sollicitations. Cette dernire prcision, en continu , est originale
dans ce domaine. En effet, de nombreuses tudes considrent simplement ltat sec ou ltat
totalement satur en eau. Le modle que nous proposons doit permettre de connatre les
proprits pour nimporte quel tat dabsorption deau entre ces deux tats, cest dire nimporte
quel profil deau non uniforme au sein de la structure, galement pour nimporte quel tat
dendommagement. Un matriau peut avoir subi une dgradation partielle, rversible ou non,
aprs une certaine dure de vieillissement, il nen est pas pour autant inutilisable et remplacer.
Limportant est de pouvoir le prvoir, cest dire identifier la nature et quantifier cette
dgradation, galement prvoir la dure de vie restante. Cela implique de matriser les
composantes environnementale (temprature, humidit) et mcanique, la fois dans leur
propagation et leurs consquences.
Les processus de vieillissement et dendommagement sont complexes et font appel des
connaissances de disciplines varies. Les phnomnes de diffusion deau au sein du matriau, les
modifications molculaires induites par celle-ci font appel des analyses physico-chimiques. Des
analyses mcaniques sont ncessaires pour caractriser les effets du vieillissement sur les
proprits mcaniques et tudier les processus dendommagement. Enfin lutilisation doutils
numriques est ncessaire pour modliser ces diffrents phnomnes.
Finalement, lintrt de cette tude est bien lapproche multiphysique et multichelle qui en est
faite. Nous cherchons comprendre le lien entre volution physico-chimique et volution des
Introduction
3
proprits mcaniques. Nous proposons didentifier les volutions du matriau diffrentes
chelles, celle des constituants ou celle de la structure, et tablir le lien entre celles-ci.
Nous cherchons aussi identifier et sparer les volutions rversibles de celles irrversibles. Les
sollicitations environnementales et mcaniques peuvent provoquer la dgradation de la structure
physique et chimique du matriau et contribuer la baisse des proprits mcaniques.
Labsorption deau peut altrer la qualit des diffrents composants et de linterface entre les
fibres et la matrice. Leau peut se trouver pige dans les porosits, dans les fissures, pr-
existantes ou provoques par des dgradations. De mme, une sollicitation mcanique peut
provoquer des endommagements irrversibles. Lendommagement par fissuration intralaminaire
sera le type dendommagement considr et tudi dans cette tude et nous cherchons
comprendre linfluence de ces deux phnomnes lun sur lautre. Labsorption deau est-elle
acclre par la prsence de fissures (endommagement mcanique) et inversement, la cintique
dendommagement par fissuration est-elle modifie par la prsence deau ?. Les deux
composantes, qui contribuent la baisse des proprits, sont donc tudies sparment puis de
manire couple.
Enfin, une part importante de ltude est consacre la modlisation numrique, laide des
Elments Finis, de ces diffrents phnomnes et la mise au point dun outil de prdiction de vie
fiable. Le travail a t effectu laide du logiciel ZeBuLoN, dvelopp au Centre des Matriaux.
Dans un premier temps, lobjectif a t dadapter les modles existants afin de pouvoir prendre
en compte les phnomnes dcrits ci-dessus dans le modle, notamment intgrer la variable
humidit dans la loi de comportement. A ce sujet, une dmarche de calcul originale, prsente en
dtail dans la troisime partie, est propose. La structure composite est considre comme tant
compose de plusieurs tranches fictives dont les proprits diffrent en fonction de la
distribution deau dans le matriau. Le comportement global du matriau est ainsi dtermin
connaissant les proprits en chaque point de la structure.
Cette tude porte sur un matriau particulier, un composite matrice poxy renforce par des
fibres de verre continues, prsent en dtail dans le chapitre II, qui peut avoir une sensibilit
lhumidit et lendommagement diffrente de celle dautres composites. Nous souhaitons tout
de mme proposer un outil de dimensionnement qui soit assez gnral. Il ne doit en aucun cas
tre restrictif aux spcificits du matriau de ltude. Il doit, le cas chant, pouvoir considrer
lvolution dautres proprits que celles considres comme sensibles lhumidit dans cette
tude ou traiter des matriaux prsentant des caractristiques de diffusion diffrentes. On doit
tre capable de traiter indiffremment des cas o les baisses de proprits sont rversibles ou au
Introduction
4
contraire irrversibles, des cas o les phnomnes de vieillissement et dendommagement par
fissuration sont coupls ou au contraire indpendants.
Enfin, loutil de dimensionnement doit tre relativement simple dutilisation avec notamment un
nombre de paramtres prendre en compte qui reste raisonnable. Connaissant les paramtres
dentre, qui peuvent tre la gomtrie de la structure, la squence dempilement des plis, et les
conditions denvironnement (temprature, humidit), le modle doit tre mme de fournir
lutilisateur les paramtres suivants, aprs nimporte quelle dure de vieillissement : ltat de
diffusion, c'est--dire la rpartition deau au sein du matriau, ltat dendommagement, si
endommagement il y a, et la valeur des proprits mcaniques rsiduelles.
Plusieurs tapes ont t ncessaires durant cette tude, afin de parvenir la mise au point du
modle ; elles sont prsentes successivement dans ce manuscrit.
La premire partie permet de faire un point bibliographique sur le sujet (chapitre I) puis de
prsenter les caractristiques du matriau de ltude, les conditions de vieillissement retenues et
les diffrents moyens exprimentaux utilises (chapitre II).
La deuxime partie aborde les rsultats exprimentaux obtenus. La premire tape a t de
comprendre comment et quelle vitesse le matriau absorbe de leau. Des cintiques
dabsorption deau ont donc t dtermines pour diffrentes conditions de vieillissement
(temprature, humidit) et diffrentes structures (rsine pure, composite UD et stratifi), et des
modles de diffusion ont t appliqus (chapitre III). Des cycles absorption-schage-rabsorption
ont aussi t mens pour valuer la rversibilit du processus dabsorption. Ltape suivante a t
dvaluer linfluence du vieillissement dune part, de lendommagement par fissuration dautre
part, sur les proprits thermomcaniques du matriau (chapitre IV). Les deux phnomnes ont
t tudis sparment puis simultanment. Pour cela, des essais mcaniques de traction ont t
mens pour diffrentes orientations et squences dempilement, sur des matriaux vieillis dans
diffrentes conditions, afin didentifier les proprits mcaniques les plus sensibles lhumidit.
Des analyses thermomcaniques en DMA ont t ralises en parallle afin de suivre lvolution
de la temprature de transition vitreuse, reprsentative de ltat de la rsine, et permettent ainsi de
faire le lien entre lchelle des constituants et celle du composite.
Enfin la troisime partie est consacre au travail de modlisation. La prsentation gnrale du
modle, avec notamment la manire de considrer la variable humidit et lendommagement par
fissuration dans la loi de comportement, la dmarche dun calcul coupl diffusion-mcanique
sont tout dabord prsentes (chapitre V). Les rsultats, de calculs de diffusion (chapitre VI) puis
de calculs mcaniques (chapitre VII), sont ensuite exposs. Ils sont, pour la plupart, bass sur les
Introduction
5
spcificits de notre matriau, constates exprimentalement. Nous nous attachons cependant,
tout au long de cette partie, exposer des cas de figures diffrents et montrer les capacits de
notre modle traiter des matriaux ayant une sensibilit au vieillissement et la fissuration
diffrente de celle de notre matriau, comme prsent ci-dessus. Enfin, nous avons souhait
valid le modle dvelopp sur une structure plus complexe, de type tube. Les conditions
retenues, les rsultats exprimentaux obtenus et leur comparaison avec les prvisions du modle
sont proposs dans le chapitre VIII.
Introduction
6
7
PARTIE 1
BIBLIOGRAPHIE ET PRESENTATION DE LETUDE
8
Chapitre I - Bibliographie
9
CHAPITRE I - BIBLIOGRAPHIE
I.1 PROCESSUS DABSORPTION DEAU ......................................................................................................11
I.1.1 Diffusion Fickienne.......................................................................................................................12 I.1.2 Influence du taux dhumidit relative .............................................................................................15 I.1.3 Influence de la temprature.............................................................................................................16 I.1.4 Diffusion non fickienne..................................................................................................................18 I.1.5 Influence de lorientation des fibres .................................................................................................20 I.1.6 Cintiques de schage .....................................................................................................................21
I.2 EFFETS DU VIEILLISSEMENT HYGROTHERMIQUE ............................................................................24 I.2.1 Mcanismes dhydrophilie ..............................................................................................................24 I.2.2 Vieillissement physique - Plastification ..........................................................................................26 I.2.3 Vieillissement chimique .................................................................................................................27 I.2.4 Effets de lhumidit sur les fibres de verre .......................................................................................28 I.2.5 Effets du vieillissement sur levolution des proprits thermomcaniques ...........................................28 I.2.6 Observations microscopiques des dfauts cres au cours du vieillissement...........................................35
I.3 PHENOMENE DENDOMMAGEMENT PAR FISSURATION TRANSVERSE...........................................38 I.3.1 Mcanismes dendommagement dans les composites .........................................................................38 I.3.2 La fissuration transverse -ou intralaminaire-..................................................................................39 I.3.3 Couplage vieillissement/endommagement par fissuration .................................................................45
Chapitre I - Bibliographie
10
CHAPITRE I
BIBLIOGRAPHIE
e chapitre est destin donner la description des phnomnes concernant labsorption
deau et le comportement mcanique dun matriau composite. On sefforce doffrir toutes
les informations de base ncessaires la comprhension de deux mcanismes de nature
diffrente, le vieillissement hygrothermique et lendommagement par fissuration transverse, ou
intralaminaire. Quils agissent sparment un par un, ou simultanment, chacun des deux
mcanismes peut provoquer une baisse des proprits mcaniques. Il est en outre important de
savoir si ces volutions sont rversibles ou irrversibles, galement connatre lventuel couplage
entre ces deux phnomnes, cest dire leffet de lendommagement par fissuration sur la prise
deau et leffet de la teneur en eau sur la cintique dendommagement.
Concernant leffet de leau, les polymres sont soumis des types de vieillissement diffrents,
reflts par des volutions de proprits spcifiques du matriau. Par dfinition, le vieillissement
dun polymre se traduit par une altration lente, rversible ou non, des proprits du matriau,
rsultant de son instabilit propre ou de leffet de lenvironnement [Verdu, 1990]. De manire
gnrale, leau, qui diffuse et sinsre dans le rseau molculaire, agit comme plastifiant. Une
baisse de la temprature de transition vitreuse, galement des proprits mcaniques (modules de
rigidit, proprits rupture), est ainsi couramment constate en prsence deau. Les
volutions peuvent tre rversibles ou non aprs schage, suivant la svrit des conditions de
vieillissement. Si les conditions sont peu svres (humidit relative et temprature faible), leau,
lie au rseau molculaire par des liaisons de type hydrogne, peut se librer et quitter le matriau
lors du schage. Pour des conditions plus svres (immersion, temprature leves), il peut y
avoir cration de dfauts au sein de la matrice et/ou de linterface fibre-matrice, galement des
pertes de matire (lessivage). Ces endommagements ne sont pas rversibles aprs schage. Ces
diffrents mcanismes sont dcrits en dtail dans la section I.2.
Dans un premier temps, nous allons prsenter des gnralits concernant labsorption et la
diffusion deau au sein dun matriau, notamment les spcificits des cintiques dabsorption
deau en fonction de la nature des composants et des conditions de vieillissement (section I.1).
On sintresse ensuite aux proprits mcaniques des composites et leur volution, due la
C
Chapitre I - Bibliographie
11
prsence deau au sein du matriau tout dabord (section I.2), due lendommagement par
fissuration intralaminaire ensuite (section I.3).
I.1 PROCESSUS DABSORPTION DEAU
La premire considration importante dans cette tude est la dtermination et linterprtation des
cintiques dabsorption deau de notre matriau, dans diffrentes conditions de vieillissement.
Avant analyse des effets de laction de leau sur les proprits du matriau (section I.2), il apparat
en effet important de savoir comment et quelle vitesse le matriau absorbe de leau. Dans ce
travail, les phnomnes de diffusion deau au sein de matriaux composites verre-poxy ont t
tudis.
On considre un solide plus ou moins poreux qui entre en contact avec un liquide, de leau dans
la plupart des cas. A ce contact, le matriau absorbe de leau par ses surfaces, puis leau se rpand
dans le volume du solide selon les lois de la diffusion. Ce phnomne est labsorption, qui est
donc caractrise par une prise de poids du solide au cours du temps. La diffusion se dfinie ainsi
comme un phnomne de transport molculaire d lexistence dun gradient de concentration
du solvant vers le polymre. Les mcanismes dhydrophilie qui permettent la diffusion deau au
sein du matriau sont dcrits plus loin dans le paragraphe I.2.1.
Les cintiques dabsorption de fluide dans les polymres ont t tudies depuis environ 150 ans,
commenant certainement avec Fick (1855), qui a tabli ses quations par analogie entre
phnomnes de transfert de chaleur par conduction et transfert de masse. Un grand nombre
darticles et douvrages traitent de problmes de diffusion de fluide dans un polymre. Leur
nombre est estim environ un millier. Ce qui est tout dabord frappant est limmense varit des
matriaux et des conditions de vieillissement (temprature, humidit relative ou immersion)
considres. Les polymres sont des matriaux complexes qui peuvent avoir des proprits
physico-chimiques trs variables. La nature de durcisseur peut par exemple avoir une importance
capitale sur la cintique dabsorption deau. Concernant un matriau composite, les fibres peuvent
tre de nature et darrangement trs variable. La qualit de linterface entre fibres et matrice qui
en rsulte peut tre aussi de qualit plus ou moins bonne. Enfin, la complexit est accentue par
lutilisation de fluides de diffrentes natures, qui interagissent de manire diffrente avec le
polymre, les fibres et les interfaces fibres-matrice.
Nous ne mentionnerons donc pas ici des tudes prsentant trop de disparits par rapport aux
conditions de notre travail. Nous discuterons dtudes traitant de matriaux assez proches
Chapitre I - Bibliographie
12
(rsines poxy, polyester, SMC, fibres de verre ou carbone), vieillis uniquement en humidit
(Humidit Relative ou immersion), des tempratures situes entre lambiante et 100C.
Nous prsentons donc dans cette section les diffrentes cintiques de diffusion deau que lon
peut retrouver pour ce type de matriau.
I.1.1 DIFFUSION FICKIENNE
Le modle le plus simple pour la diffusion dun solvant (espce diffusante) dans un solide est
donn par la loi de Fick (1855). Le gradient de concentration du solvant induit un flux rqui lui
est proportionnel. Cest donc le moteur de la diffusion. La vitesse de diffusion est caractrise par
le coefficient de diffusion D. On a ainsi la premire loi de Fick donne par lquation (1.1)
suivante :
gradCD =r (1.1)
o D : coefficient de diffusion du milieu en mm2/s
C : concentration du solvant au sein du milieu
Le signe ngatif indique que le flux est dirig des zones concentration leve vers celles
concentration plus faible.
La seconde loi de Fick fait intervenir le temps. On considre que leau pntre librement et sans
interaction avec les composants. Selon la loi de conservation de la masse, on a lquation (1.2) :
)(t
rdivC =
(1.2)
En combinant les quations (1.1) et (1.2), on obtient la seconde loi de Fick (quation 1.3).
)gradC.(t
DdivC =
(1.3)
Lorsque la diffusion est unidirectionnelle (suivant x), et que D est indpendant de la
concentration, on a :
x
C
= Dr (1.4)
2
2
.
t xCDC
=
(1.5)
Chapitre I - Bibliographie
13
La diffusion fickienne est ainsi caractrise par deux paramtres :
Un coefficient de diffusion D indpendant du temps et de lespace, ainsi que de la
concentration en molcules deau, puisque nous nous plaons dans le cas de phnomnes
physiques rversibles.
Un seuil dabsorption deau asymptotique Ms atteint pour un temps infini correspondant
lquilibre et caractris par la valeur correspondante du gain de masse gnralement
exprim en pourcentage.
Un problme de diffusion est donn par la gomtrie du milieu et un ensemble de conditions aux
limites. Crank a prsent des solutions mathmatiques de ces quations pour des gomtries et
des conditions aux limites varies [Crank, 1983]. La gomtrie la plus utile dans la suite de cette
tude est celle dune plaque mince.
Diffusion dans une plaque mince
Si on considre une plaque mince dpaisseur 2h, au sein de laquelle diffuse le solvant,
initialement la concentration C0, et dont les surfaces sont gardes la concentration uniforme
C1, alors lvolution spatiale et temporelle de la concentration de solvant est donne par :
)h
1).(2n.t).cos(
h1)(2nD.exp(.
1)(2n1)(
.
41CCCC 2
2
2
0n
n
01
0 ++
+
=
=
(1.6)
o : D : coefficient de diffusion
x : distance partir du plan central de la plaque, suivant lpaisseur
t : dure de vieillissement
h : paisseur de la plaque
La masse totale deau Mt dans le matriau un instant t est obtenue par intgration de la variable
C sur lpaisseur du matriau, et sur une aire A soumise au flux :
dxt)C(x,.AMh
0t = (1.7)
Si lon note Ms la masse deau absorbe aprs un temps infini, lquation (1.6) scrit alors :
)th
1)(2nDexp(.1)(2n
1.
81M
M 22
2
0n22
s
t +
+=
=
(1.8)
Chapitre I - Bibliographie
14
Cest gnralement cette quation qui est la base des modles de cintique de diffusion. La
considration du paramtre Mt est intressante puisque ce dernier correspond la masse deau
absorbe un instant donn de vieillissement, et donc la mesure accessible exprimentalement
par pese. Il permet donc une comparaison directe entre mesure exprimentale et simulation
numrique.
Une reprsentation schmatique de la courbe )tf(M
M t=
s
est donne figure I.1.
Cest une fonction linaire en dbut dabsorption et qui sincurve au moment de la saturation,
quand le matriau se met en quilibre avec lenvironnement.
t
Mt / Ms Fick
t
Mt / Ms Fick
Figure I.1 : Courbe de diffusion de type Fick.
Il est parfois utile, notamment pour la dtermination des paramtres de diffusion, de considrer
des expressions simplifies aux temps courts ou aux temps longs :
Lorsque Mt/Ms0.6 (temps longs), lquation (1.8) devient approximativement :
)h
tDexp(.
81M
M2
2
2s
t= (1.10)
Il existe aussi des rsolutions approches telle celle de Shen et Springer, qui proposent une
expression simplifie de lquation (1.8) [Shen et Springer, 1981].
Chapitre I - Bibliographie
15
))hD.t7.3(exp(1
M
M 0.752
s
t= (1.11)
Cette expression est notamment utilise dans les travaux de Dewimille et Bunsell qui cherchent
modliser les phnomnes de vieillissement de composites poxy-fibres de carbone [Dewimille et
Bunsell, 1982].
I.1.2 INFLUENCE DU TAUX DHUMIDITE RELATIVE
Dans le cas o le matriau prsente un niveau de saturation en eau Ms, on trouve en gnral une
dpendance directe de Ms en fonction du degr dhumidit du milieu (HR%). La figure I.2 illustre
les variations de Ms en fonction de HR% pour trois matriaux composites diffrents et trois
rsines [Loos and Springer, 1979]. Ces courbes sont dcrites par la relation :
Ms = a.(HR%)b (1.12)
o a et b sont des constantes.
Pour les matriaux composites, b est proche de 1, et il est compris entre1.3 et 1.8 pour les rsines.
De nombreux auteurs retrouvent cette dpendance dans leurs travaux [Bellenger, 1989 ; Bonniau,
1983 ; Dewimille, 1981 ; McKague, 1978 ; Popineau, 2005].
Chapitre I - Bibliographie
16
a, b, c : Rsines poxydes
A, B, D : Composites Carbone/poxyde
a, b, c : Rsines poxydes
A, B, D : Composites Carbone/poxyde
Figure I.2 : Niveau de saturation en eau de divers matriaux composites carbone/poxyde et rsines poxydes en fonction du degr dhumidit HR% [Loos and Springer, 1979].
On trouve galement que le degr dhumidit na pas dinfluence sur la valeur du coefficient de
diffusion, cest dire sur la vitesse de diffusion de leau. On considrera donc que D est
indpendant de la concentration deau et reste constant pour une temprature donne.
I.1.3 INFLUENCE DE LA TEMPERATURE
Tous les auteurs confirment linfluence de la temprature sur les cintiques dabsorption. Dune
part, la pente initiale des courbes dabsorption augmente avec la temprature. Ainsi, le coefficient
de diffusion deau D est extrmement sensible la temprature ; il peut augmenter de deux
ordres de grandeur pour une augmentation de temprature de 100C [Loos and Springer, 1981,
Weitsman, 1977].
Une valeur typique de D temprature ambiante est de lordre de 10-7mm2/s pour une rsine
poxy. Un exemple de variation de D en fonction de la temprature est donne figure I.3, pour le
cas dune rsine poxy vieillie en immersion ou en humidit relative diffrentes tempratures.
Labsorption est thermiquement active et on a une relation dArrhenius permettant de dcrire la
dpendance de D avec T (quation 1.13) :
Chapitre I - Bibliographie
17
)RTE
exp(-.DoD a= (1.13)
o Ea : nergie dactivation de la diffusion Do : constante (indice de permabilit) T : temprature dessai R : constante des gaz
Figure I.3 : Lois dArrhnius des coefficients de diffusion de rsine poxy vieillie en immersion ou en milieu humide diffrentes tempratures (chantillons dpaisseur 2mm) [Dewimille et Bunsell, 1982].
Dautre part, la dpendance du niveau de saturation Ms avec la temprature, est beaucoup moins
claire. Certains auteurs trouvent un niveau semblable pour diffrentes tempratures, alors que
dautres obtiennent un niveau qui augmente avec la temprature. Par exemple, Shen et Springer
[Shen et Springer, 1981] constatent quen immersion et en humidit relative, la masse saturation
nest pas fonction de la temprature de leau ou de lair humide, ce qui nest pas conforme aux
rsultats trouvs par N. Dubois [Dubois, 2003]. On considre donc que Ms dpend
essentiellement du degr dhumidit du milieu ambiant et dans une moindre mesure de la
temprature et ventuellement de sollicitations mcaniques appliques.
Dautre part, une temprature leve va favoriser les phnomnes de reprise deau brutale et
ventuellement de perte de matire, qui sont dtaills dans le paragraphe suivant. Il est cependant
difficile de donner une temprature critique partir de laquelle sont observs ces phnomnes.
Cela dpend en particulier de la nature du matriau test.
Chapitre I - Bibliographie
18
I.1.4 DIFFUSION NON FICKIENNE
Dans de nombreuses circonstances, les cintiques dabsorption deau de polymres ou
composites matrice polymre prsentent des carts par rapport au comportement fickien,
voqu dans les paragraphes prcdents. Les courbes schmatiques donnes sur la figure I.4 sont
reprsentatives des diffrents cas rencontrs dans la littrature.
1
0
M t/M s
(2)
(3)
(4)
(1)
t
(0) Fick1
0
M t/M s
(2)
(3)
(4)
(1)
t
(0) Fick
Figure I.4 : Courbes schmatiques reprsentatives de quatre catgories de cintiques dabsorption deau non fickienne [Weitsman, 1991].
La courbe (0) correspond au comportement fickien. La courbe (1), qui est caractrise par une
augmentation continue de la prise de poids, correspond au cas pseudo-fickien couramment
rencontr [Weitsman, 1995]. Lquilibre nest jamais atteint. La courbe (2) reprsente une
cintique de type Langmuir [Carter et Kibler, 1978 ; Dewas, 1982 ; Dewimille, 1981]. Nous ne
dtaillons pas ce modle ici car il na pas t utilis lors de ltude. Le cas (3) correspond une
acclration rapide de labsorption deau, qui est gnralement accompagne de dformations
importantes, dendommagements au sein du matriau [Gupta, 1985 ; Chateauminois, 1993].
Enfin le cas (4) prsente une perte de poids du matriau, aprs une certaine dure de
vieillissement [Dewimille, 1981 ; Bonniau, 1984 ; Springer, 1981]. On peut attribuer ce cas de
figure des dgradations physiques ou chimiques, une hydrolyse du matriau. Des groupements
chimiques peuvent tre arrachs des chanes polymres et tre vacus dans le solvant, ce qui
explique la perte de matire et la baisse de la masse globale, malgr labsorption deau. Le dtail
des mcanismes mis en jeu dans les diffrents cas est dtaill dans le paragraphe I.2.
En raison de la grande varit de structures molculaires des polymres, et de la diversit des
structures CMO, il est difficile de suggrer des causes spcifiques pour les diffrents cas voqus
ci-dessus. Cependant, la synthse des donnes de la littrature suggre que les cas (0) et (2), o le
matriau parvient une saturation en eau vis vis du milieu environnant, se produisent
Chapitre I - Bibliographie
19
gnralement pour des conditions peu svres : vieillissement en humidit relative ou en
immersion faible temprature. Les cas (3) et (4) correspondent eux plus frquemment des
processus dabsorption dans des conditions plus svres, en immersion, des tempratures
leves (gnralement au dessus de 70C) et parfois sous des contraintes externes leves.
Comparaison rsine pure / Rsine renforce (matriau composite) : rle des interfaces
Les cas critiques (3) et (4) prsents ci-dessus sont galement plus frquents pour les composites
que pour les rsines pures. Il parat clair que la prsence des fibres acclre la reprise deau du
matriau. Plusieurs auteurs [Ghorbel, 1990, Dewimille, 1981] font part dun comportement
souvent fickien pour les rsines pures alors quil apparat des prises de poids brutales (lies une
fissuration qui entrane une infiltration deau excessive) et/ou des pertes de matire pour le
composite avec la mme rsine et dans les mmes conditions dessai. Nous navons en tout cas
pas not de perte de matire pour les rsines dans les donnes de la littrature, ce qui nest pas le
cas pour les composites. De plus, il peut apparatre des dgradations pour les rsines mais pour
des conditions plus svres que pour le composite. Un exemple est donne sur la figure I.3
[Dewimille et Bunsell, 1982] o lon voit que pour les mmes conditions de vieillissement,
100C par exemple, la rsine (figure a) ne subit pas de perte de masse contrairement au matriau
composite (figures b et c). Ceci traduit bien limportance des interfaces entre les fibres et la
matrice. Lapparition de dgradations de type dcohsion fibre-matrice peut permettre des
infiltrations deau par des chemins privilgis et ventuellement le lessivage du matriau (perte de
matire).
Cela peut reprsenter la cause principale dacclration du vieillissement, entranant le passage
dune cintique dabsorption deau de type (1) au type (3) sur la figure I.4.
Influence du type de durcisseur
Dans le cas dune rsine poxy par exemple, la nature du durcisseur a une influence trs grande
sur la vitesse de diffusion de leau et la nature des dgradations qui peuvent apparatre. Bonniau a
par exemple montr quune rsine poxy associe un durcisseur anydride absorbe plus deau
que la mme rsine associe un durcisseur amine [Bonniau, 1983]. De plus, dans le premier cas,
des endommagements importants, associs des pertes de matire, apparaissent, alors quils
nexistent pas pour le deuxime cas. Il sagit de lessivage, phnomne qui sera dcrit en dtail
dans la section I.2.
Chapitre I - Bibliographie
20
I.1.5 INFLUENCE DE LORIENTATION DES FIBRES
La structure dun composite rsine/fibres continues est htrogne et anisotrope. Dans une telle
structure, la vitesse de diffusion nest pas la mme suivant chaque direction (figure I.5). On
observe une diffusivit plus importante dans la direction parallle aux fibres.
zrD2
D1
D3
zrD2
D1
D3
Figure I.5 :Dfinition des trois axes de diffusion dans un composite unidirectionnel fibres continues.
On observe cela dans les travaux de B. Dewimille qui montre que la vitesse de pntration est
plus grande dans les disques (pntration suivant la direction des fibres) que dans les plaques
(pntration perpendiculaire aux fibres) [Dewimille, 1981]. On trouve dans la littrature, pour des
tissus UD, des rapports tels que :
73D
D
2
1=
avec : D1 : coefficient de diffusion suivant la direction des fibres
D2 = D3: coefficient de diffusion normal aux fibres.
Un exemple est donn figure I.6, o est reprsente lvolution du rapport D2/D1 en fonction du
taux de fibres vf dans le composite.
Chapitre I - Bibliographie
21
V f
D2 / D1
V f
D2 / D1
Figure I.6 : Modlisation du rapport D2/D1 en fonction du taux de renfort fibreux du composite, [Bao, 2002].
Ceci confirme que le rle des interfaces fibre-matrice nest pas ngligeable.
De mme, B. Dewimille dtermine des coefficients de diffusion ayant des valeurs intermdiaires
entre D1 et D2, pour des angles entre direction de pntration de leau et direction des fibres
intermdiaires (30 et 60).
I.1.6 CINETIQUES DE SECHAGE
Afin de savoir si le phnomne dabsorption est rversible, il est parfois utile de suivre la
cintique de schage de matriau pralablement vieilli, puis la cintique de rabsorption lors dun
deuxime cycle de vieillissement. Peu dauteurs mentionnent ce type dapproche dans la
littrature. Mentionnons A. M. Bruneaux , S. Popineau ou Weitsman [Bruneaux, 2004 ; Lo et al,
1982 ; Popineau, 2005 ; Weitsman, 2002].
Pour des conditions non dgradantes , cest dire dans le cas dune cintique fickienne, il
apparat une cintique semblable pour les trois tapes. On retrouve quasiment la masse initiale
aprs schage et la cintique demeure fickienne pour un 2 vieillissement, en raison de labsence
de dgradation significative.
Si par contre les conditions sont plus svres et que la cintique dabsorption est de type (1) ou
(3) (voir figure I.4), la cintique de schage peut alors tre plus rapide que labsorption et surtout
un deuxime cycle dabsorption plus rapide que le premier.
Ceci peut confirmer les conclusions tires dune simple analyse de la cintique dabsorption,
savoir lapparition de dgradations du matriau, qui crent des espaces ou circuits plus importants
et favorisent le dplacement des molcules deau par augmentation du volume libre. Ce
phnomne sera dtaill dans les paragraphes suivants. Ces effets non rversibles qui
Chapitre I - Bibliographie
22
interviennent pendant la premire absorption semblent acclrer les phnomnes de rabsorption
ultrieurs. Bruneaux observe, sur un adhsif de type poxy, que la cintique est plus rapide lors de
la rabsorption que lors de la premire absorption. Weitsman arrive galement aux mmes
conclusions (figures I.7 et I.8). En raison dendommagements de types dcohsions des interfaces
fibre-matrice, il apparat que la cintique de schage est plus rapide que labsorption (figure I.7) et
que la rabsorption est plus rapide que la premire absorption. (figure I.8).
Figure I.7 : Cintiques dabsorption et de schage (Matriau UD vieilli en eau de mer 23C) [Weitsman, 2002].
Figure I.8 : Cintiques dabsorption et de rabsorption (aprs schage) (Matriau UD vieilli en eau de mer 50C) [Weitsman, 2002].
Plus svre encore, si un phnomne de lessivage se produit au cours du vieillissement (type 4,
voir aussi paragraphe I.2.3 pour plus de dtails), la masse aprs schage peut tre infrieure la
masse initiale en raison des pertes de matire.
Lo et al ont galement fait ce type de constatation. Ils ont not quaprs une perte de masse
enregistre, un matriau resch puis revieilli dans les mmes conditions, absorbe des quantits
Chapitre I - Bibliographie
23
deau plus importantes, et plus rapidement, que lors du premier cycle de vieillissement [Lo et al,
1982] Ce type dobservation suggre la prsence dendommagement irrversible au sein du
matriau.
Chapitre I - Bibliographie
24
I.2 EFFETS DU VIEILLISSEMENT HYGROTHERMIQUE
Tout au long de ce travail, aprs dtermination des cintiques dabsorption deau, nous avons
essay de dterminer et comprendre les effets de leau sur les proprits physico-chimiques et
mcaniques du matriau. Nous cherchons dune part expliquer les carts qui peuvent tre
observs entre les cintiques dabsorption obtenues pour diffrentes conditions de vieillissement,
galement identifier lvolution de plusieurs paramtres mcaniques au cours du vieillissement.
Enfin, il apparat primordial de dterminer la part rversible ou irrversible des volutions
constates. Cette section permet ainsi de faire ltat de lart des donnes de la littrature sur ce
sujet.
Aprs avoir prsent les mcanismes dhydrophilie qui gouvernent linsertion et le dplacement
des molcules deau au sein du matriau, nous dtaillerons les particularits des diffrents types
de vieillissement, physique et chimique. Ensuite, nous prsenterons les volutions de proprits
thermomcaniques, dues au vieillissement, constates dans la littrature.
I.2.1 MECANISMES DHYDROPHILIE
La nature plus ou moins polaire dun polymre (selon les groupes chimiques le constituant) lui
confre naturellement une sensibilit particulire pour des solvants polaires comme leau [Bistac,
1998]. Cette sensibilit se traduit par la pntration de molcules du solvant dans le polymre ; on
parle dabsorption. En raison de labsence de toute structure cristalline, lespace entre les chanes
molculaires est important compar la taille des molcules deau. Ces dernires peuvent se
dplacer dans les interstices. De plus dans les composites, leur dplacement est facilit par les
porosits et les dfauts de cohsion qui peuvent apparatre aux interfaces fibre-matrice.
Lhydrophilie se caractrise en pratique par la teneur massique en eau que le matriau peut
atteindre lquilibre dans un milieu isotherme et taux hygromtrique constant. Dans la
littrature, on trouve en gnral deux approches du mcanisme dhydrophilie, qui peuvent tre
combines : lapproche volumique et lapproche mettant en jeu des interactions entre
polymre et molcules deau grce aux liaisons hydrogne [Verdu, 1990].
I.2.1.a Approche structurale
Suivant la polarit des groupements chimiques constituants le polymre, ce dernier sera plus ou
moins susceptible dabsorber de leau. On peut classer les groupements suivant leur polarit :
Les groupements trs peu polaires sont les groupements hydrocarbons comme -CH-, -
CH2-, -CH3, les cycles aromatiques.
Chapitre I - Bibliographie
25
Les groupements modrment polaires sont -O-, O=C-, O=C-O-, -C.N.
Les groupes polaires susceptibles de crer une liaison hydrogne avec leau sont : O=C-
NH-, O=C-OH, -OH, -NH-. Il peut y avoir une coopration de deux groupements
hydrophiles pour fixer une molcule deau (Fig. I.9).
Figure I.9 : Mobilisation dune molcule deau par deux groupements polaires [Bistac, 1998].
Nature de leau dans la rsine poxy : [Zhou, 1999]
Une tude portant sur des mesures dabsorption et de dsorption puis de rsonance magntique
(RMN) permet de connatre les caractristiques de liaison de leau avec lpoxy. Il apparat que les
molcules deau se lient la rsine travers des liaisons Hydrogne de deux types qui dpendent
de lnergie dactivation :
- Type I : une molcule deau forme une liaison H simple. Elle possde une
nergie dactivation faible (10kcal/mol) et pourra se sparer facilement de la rsine.
- Type II : une molcule deau forme des liaisons H multiples, possde une nergie
dactivation plus leve (15kcal/mol) et aura plus de mal se sparer.
La figure I.10 suivante illustre ces deux types de liaison. Les liaisons de type I sont les plus
nombreuses. Des dures dimmersion plus longues et des tempratures plus leves favorisent la
formation de liaisons de type II.
Chapitre I - Bibliographie
26
Fig.I.10 : Liaisons possibles de molcules deau avec un rseau poxy[Zhou, 1999]. (a) Les molcules deau forment une liaison Hydrogne avec la rsine.
(b) Elles forment plus dune liaison hydrogne et ont une nergie dactivation plus leve
I.2.1.b Approche volumtrique
Le volume libre est assimil la place laisse entre les molcules et qui nest pas occupe par
les vibrations des atomes les constituants [Morel, 1984]. En simplifiant le concept de volume
libre, cette approche voque la prsence possible de molcules deau dans les volumes disponibles
entre les chanes macromolculaires du rseau 3D [Lee, 1998 ; Adamson, 1980].
I.2.2 VIEILLISSEMENT PHYSIQUE - PLASTIFICATION
Les molcules deau peuvent s'insrer dans le rseau tridimensionnel en brisant les liaisons
secondaires, type van der Waals ou liaisons hydrogne, entre les groupes polaires des chanes
macromolculaires voisines [Hodd, 1986 ; Peyser, 1981]. Les groupes polaires du polymres vont
se lier prfrentiellement une molcule deau, comme dj prsent sur la figure I.9. La rupture
des liaisons entre les chanes, qui assuraient en bonne partie la rigidit du matriau, va permettre
une augmentation de mobilit des chanes ou des segments de chanes macromolculaires. On
parle dans ce cas de plastification. Cette mobilit accrue va affecter les proprits mcaniques et
physico-chimiques du polymre. Les proprits en traction ou cisaillement sont les plus tudies
(module dYoung et de cisaillement) pour laspect mcanique, ainsi que lvolution de la
temprature de transition vitreuse Tg. Dans la majorit des cas, une diminution du module
dYoung et du module de cisaillement est constate ainsi quune baisse de Tg, comme nous allons
le voir en dtail dans les paragraphes suivants. Le phnomne est rversible. La plastification
saccompagne aussi de gonflements, qui dans le cas des composites, peuvent tre responsables de
Chapitre I - Bibliographie
27
dcohsions fibre/matrice. Ce gonflement peut aussi intervenir lorsque la cintique de diffusion
du solvant cre des gradients de concentration.
I.2.3 VIEILLISSEMENT CHIMIQUE
Certaines tudes ont montr que la masse dun chantillon peut augmenter continuellement
lorsque celui-ci est plac dans un environnement trs humide. La modification de certaines
bandes dabsorption en infrarouge du polymre ont amen certains auteurs supposer un
mcanisme de dgradation du polymre : lhydrolyse [Shanahan, 1997] (figure. I.11). Au cours de
labsorption, les molcules deau peuvent remplacer les liaisons hydrogne dj existantes par des
liaisons hydrogne enter leau et le polymre. Le rsultat de ces interactions chimiques long
terme est la dgradation de la rsine et de linterface par hydrolyse. Celle-ci est active
thermiquement et est susceptible dtre catalyse par divers agents chimiques : ions OH-, H+,
mtaux de transition, do linfluence de la composition du milieu ractionnel dans le
vieillissement. Le greffage deau sur les chanes macromolculaires se caractrise par une masse de
lchantillon aprs schage suprieure sa masse initiale [Adamson, 1980].
Figure I.11 : Equation gnrale de lhydrolyse.
Il peut y avoir aussi des coupures de chanes entre nuds de rticulation et ainsi cration de
fragments de chanes macromolculaires se retrouvant libres dans le rseau et pouvant diffuser
vers le milieu extrieur. On parle dans ce cas de lessivage. Il se cre alors un volume libre qui peut
accueillir des molcules deau supplmentaires. Ce lessivage peut tre mis en vidence
directement par gravimtrie en absorption de solvant (augmentation puis diminution de la masse
globale de lchantillon) [De Neve, 1995] ou aprs vieillissement et schage de lchantillon, dont
la masse finale sera infrieure sa masse initiale [Mikols, 1982]. Ce cas de figure explique les
cintiques dabsorption deau particulires exposes dans le paragraphe I.1.4 (cas n3 ou 4), qui
prsentent effectivement cette augmentation brutale de labsorption deau ou au contraire une
diminution de la masse globale du matriau partir dune certaine dure de vieillissement,
synonyme de perte de masse par lessivage.
Chapitre I - Bibliographie
28
I.2.4 EFFETS DE LHUMIDITE SUR LES FIBRES DE VERRE
Les verres sont composs doxydes mtalliques ou alcalins disperss dans un rseau de silice. Ces
composs constituent des microhtrognits, en particulier les oxydes alcalins, qui sont
hydrolysables. La corrosion par leau peut donc crer des dfauts qui constituent autant de zones
de faiblesse. Dautre part, la dissolution par leau de certains lments de la fibre, ou de la rsine,
peut crer un milieu corrosif qui accentue la dgradation du verre [Cognard, 1989].
Cependant, les observations mentionnes ci-dessus concernent la plupart du temps les fibres de
verre seules. Les fibres dans un matriau composite sont protges par un agent de couplage et
par la rsine. Une attaque chimique du verre est donc rarement mise en vidence lors
dexposition des environnements humides ou mme en immersion. Cependant, certains auteurs
tels que O. Ishai [Ishai, 1977] mettent en cause les fibres dans la baisse des proprits mcaniques
en immersion dans de leau 80C. Les processus de dgradation invoques sont bien lhydrolyse
des fibres et lattaque chimique de lagent de couplage. De mme Ashbee [Ashbee, 1969] a
observ, dans des composites verre-polyester, des fibres de verre svrement attaques, mais
aprs des immersions de plusieurs centaines dheures dans leau bouillante, ce qui reprsente un
vieillissement trs svre.
Dans le cas de vieillissement en milieu humide, la sensibilit des fibres de verre, au sein dune
rsine, se situe leur interface : les fibres nabsorbent pas deau et un gonflement diffrentiel se
produit lorsque la matrice en absorbe. Si l'adhsion entre la fibre et la matrice est insuffisante, une
dcohsion par rupture des liaisons chimiques dans l'interphase du matriau se produit,
augmentant la vitesse de pntration de l'eau dans le matriau par les vides crs, ce qui acclre
le mcanisme de dgradation. Lattaque des fibres sera de toute faon conditionne par des
dgradations de la rsine et/ou de linterface fibre-matrice. La plupart des auteurs considrent
finalement la dgradation des fibres au sein dune rsine comme ngligeable. En tout cas, les
pertes de proprits (dues leau) dans le sens des fibres sont ngligeables par rapport celles
dans les autres directions, qui sont plus sensibles aux qualits de la rsine ou de linterface.
I.2.5 EFFETS DU VIEILLISSEMENT SUR LEVOLUTION DES PROPRIETES THERMOMECANIQUES
Aprs la connaissance des cintiques dabsorption deau et des mcanismes physico-chimiques
mis en jeu lors du vieillissement, notre travail sest galement intress aux consquences de la
diffusion deau dans le matriau. Il est en effet primordial de connatre, au cours du
vieillissement, lvolution de proprits thermomcaniques, telles que la temprature de transition
vitreuse, les proprits lastiques, visqueuses, les proprits rupture.
Chapitre I - Bibliographie
29
I.2.5.a Evolution de Tg
La transition vitreuse est une des caractristiques les plus importantes des polymres, pendant
laquelle le matriau passe progressivement dun tat vitreux (rigide) un tat caoutchoutique.
Cette transition du second ordre stale sur un domaine de temprature de 10 20C. La
temprature de transition vitreuse Tg est fortement influence par la composition, ltat de
cuisson de la rsine mais aussi par des facteurs extrieurs telle que la prsence de liquide dans le
rseau molculaire. Un grand nombre dtudes ont mis en vidence une chute de la Tg lors du
vieillissement hygromtrique, allant dune dizaine de degrs jusqu 80C environ [Bonniau,
1983 ; Castaing, 1993 ; Ghorbel, 1990 ; Morel, 1984 ; Popineau, 2005]. Une dcroissance de 20C
de Tg par pour-cent deau absorbe a t rapporte par plusieurs auteurs dans certains systmes
polyester insatur [Marais et al., 2000 ; Wright, 1981]. Lintensit et la temprature des transitions
dordre suprieur telles que la transition sont aussi affectes [Jelinski, 1985 ; Nogueira, 2001].
Cette chute de Tg est explique par leffet plastifiant de leau dans la matrice, voqu dans le
paragraphe I.2.2, qui augmente la mobilit molculaire (Figure I.12) et permet donc un
changement de conformation des chanes macromolculaires des tempratures infrieures
celles du matriau sec. Les ractions par coupure de chane (hydrolyse), prsentes galement
prcdemment, impliquent aussi une baisse de Tg.
tat initial Pntration du solvanttat initial Pntration du solvant
Figure I.12 : Plastification par un solvant [Colombini, 2002].
Un exemple de baisse de Tg au cours du temps de vieillissement est donn figure I.13, pour une
rsine poxy pure et renforce par des fibres de verres, pour un cas dimmersion 60C. On peut
aussi noter que la prsence des fibres amplifie les phnomnes de plastification. La baisse de Tg
est en effet plus importante dans le cas du composite (baisse denviron 30C entre ltat sec et
ltat satur en eau) que dans le cas de la rsine seule (baisse denviron 8C).
Chapitre I - Bibliographie
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Figure I.13 : Evolution de la Tg de deux types de rsine Epoxy A et B (figure de gauche) et de composite utilisant la rsine A (figure de droite) en fonction de la dure dimmersion 60C [Ghorbel, 1990].
Rticulation secondaire ou post-rticulation
Dans certains cas, il apparat en fin de cuisson un certain nombre de pontages qui nont pu
seffectuer cause dun manque de mobilit. Il peut alors se produire, au cours du vieillissement,
un phnomne de post-rticulation qui correspond la formation de ces pontages aprs mise en
uvre du matriau. Cela permet au systme de finir de rticuler. Le mouvement des petites
molcules est alors plus facile et les dernires molcules de prpolymre non ragies vont pouvoir
se combiner. La Tg augmente alors [Chateauminois, 1995 ; Ghorbel, 1990 ; Levque, 2002].
Dautres auteurs ont observ une lgre augmentation de Tg, aprs une baisse importante dans
les premiers temps de vieillissement, lorsque la rsine est arrive saturation en eau. I. Ghorbel
observe ainsi ces deux phnomnes concurrentiels lis la variation de la densit de rticulation
et se caractrisant par lvolution de Tg au cours du vieillissement (rsine poxy-fibres de verre).
La figure I.14 illustre ainsi lvolution de Tg en fonction du temps de vieillissement (immersion
60C). Un phnomne de post-cuisson fait donc suite une baisse de Tg due labsorption
deau. Elle suppose quils interviennent lun aprs lautre.
Pour dautres auteurs, lordre des phnomnes est invers. Il y a dabord augmentation de Tg due
un phnomne de post-cuisson. Puis la baisse de Tg ne devient significative que lorsque le
rseau molculaire est totalement rticul.
Chapitre I - Bibliographie
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Figure I.14 : Evolution de la Tg de composite verre-poxy en fonction de la dure dimmersion 60C [Ghorbel, 1990].
Ces diffrentes constatations montrent limportance de bien connatre ltat de rticulation du
matriau initial (i.e. avant tout vieillissement), ce qui implique de connatre les conditions de
cuissons appliques au matriau lors de sa mise en uvre.
I.2.5.b Evolution des proprits mcaniques
Les diffrents effets de leau sur le matriau, explicits dans la partie I.2.4, ont galement des
consquences sur les proprits mcaniques. Linfluence de lhumidit sur le comportement
mcanique des composites est assez complexe. Pratiquement chaque proprit du matriau est
susceptible dtre affecte par un vieillissement humide.
Evolution des proprits en traction
Il apparat communment une baisse de rigidit et de contrainte rupture de polymres tels que
lpoxy, une baisse de rigidit dans le sens transversal et en cisaillement de composites
unidirectionnels [Bonniau, 1983 ; Castaing, 1995 ; Dewimille et al., 1980 ; Ghorbel, 1990 ; Shen
and Springer, 1981 ; Weitsman, 1995]. Dans certains cas, les modules de rigidits et la contrainte
rupture diminuent [Bonniau, 1983 ; Castaing, 1995 ; Roger, 1980], dans dautres cas, les rigidits
restent constantes et la contrainte rupture diminue [Dewimille, 1981], ou encore la variation de
ces paramtres peut tre dpendante de la temprature [Shen et Springer, 1981]. La diminution
du module de cisaillement est observe presque systmatiquement.
Typiquement, on peut observer des dgradations de lordre de 25 80% pour les rigidits
dpoxy, et des baisses de 50 80% pour la rigidit transversale de composites matrice
Chapitre I - Bibliographie
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polymre. P. Castaing par exemple, identifie, pour des essais de traction sur composite polyester-
fibre de verre unidirectionnel, vieilli en immersion 60C, des baisses de modules transversal E2
et de cisaillement G pouvant atteindre 20 30% par rapport au matriau non vieilli (Figure I.15).
Egalement une baisse de module longitudinal E1, mais moins importante, autour de 5%. Des
baisses de rsistances rupture sont aussi mises en vidence pour diffrentes conditions dessai
(essais de flexion, essais de cisaillement). Elles sont de lordre de 20 40% suivant les types de
rsines et les dures dimmersion.
Figure I.15 : Evolution relative des proprits mcaniques dun verre-polyester ISO au cours du vieillissement (immersion
60C pendant 5000h) (E1 : ; E2 : ; G12 : ) ; corrlation avec la courbe dabsorption deau (). [Castaing, 1995].
I. Ghorbel constate elle aussi des chutes des modules transversal et de cisaillement de lordre de
20 30% pour le mme type de matriau, unidirectionnel et aussi stratifi 55. Elle montre
galement que ce sont les rsistances rupture qui sont les plus affectes par le vieillissement. Par
rapport au matriau sec, elles sont quasiment divises par deux ltat de saturation en eau.
P. Bonniau [Bonniau, 1983] a aussi effectu des essais de traction simple sur un composite verre-
poxy, sous forme de tissus, vieilli des taux dhumidit diffrents. Les rsultats principaux quil
obtient sont reprsents sur la figure I.16, o est reprsente lvolution de la contrainte rupture
en fonction dun paramtre p, proportionnel au temps de vieillissement, pour diffrentes
conditions de vieillissement. Il fait lhypothse dune concentration limite, correspondant des
humidits relatives de 60-70%HR, au dessous de laquelle aucun endommagement important du
matriau napparat, et quelle que soit la temprature. Il admet ainsi que pour des concentrations
suprieures, le gonflement de la rsine devient important et peut provoquer des dcohsions. En
Chapitre I - Bibliographie
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milieu liquide, la concentration limite tant toujours dpasse, lendommagement volue de
manire thermoactive en fonction du temps. Il souligne galement quon ne peut relier
directement la quantit deau absorbe et limportance de lendommagement, car les courbes ne
sont pas confondues pour diffrentes conditions.
Figure I.16 : Variation de la rsistance rupture en traction au cours du vieillissement, pour un composite tissu de verre-rsine poxy [Bonniau, 1983].
Comme explicit dans la partie I.2.4, ce sont prfrentiellement la matrice et les interfaces fibre-
matrice qui sont attaques par leau, alors que les fibres semblent garder la majorit de leur
intgrit. Les baisses de module transversal sont donc attribues au phnomne de plastification
de la matrice par les molcules deau, dcrit prcdemment. Cest en effet la matrice qui est
sollicite et donc caractrise dans un essai de traction transversale. De mme, le module de
cisaillement G, qui baisse de manire importante, caractrise la dgradation des liaisons
linterface fibre-matrice.
Chapitre I - Bibliographie
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Evolution des proprits en torsion et en flexion
B. Dewimille [Dewimille, 1982] a tudi lvolution des proprits en flexion et en torsion en
fonction de la temprature et de la quantit deau absorbe, pour un matriau composite
unidirectionnel verre-rsine poxy.
Il apparat que pour la rsistance en flexion, la chute est peu prs proportionnelle la quantit
deau absorbe Mt (en %) (rsultats pour 80 et 100C) et peut aller jusqu 25% pour des
quantits comprises entre 1.6 et 1.8%.
Il remarque de plus que jusqu 0.5% deau, la baisse est faible. Il explique en effet quil faut
atteindre une concentration suffisante au cur de lchantillon, l o se produisent les ruptures
par cisaillement.
Pour la torsion (figure I.17), les conclusions sont semblables. Il savre que pour le module G, la
baisse est faible pour des immersions en dessous de 65C mais il y a des reprises deau faibles
pour ces tempratures. Pour des tempratures plus leves, il y a des baisses de modules
importantes qui peuvent atteindre 25% pour des quantits absorbes suprieures 1.5%. Il ny a
en fait pas deffet de la temprature mais seulement de Mt sur la baisse de G.
Figures I.15 : Influence de la temprature dimmersion et de la quantit deau absorbe sur le module G (figure de gauche) et
lamortissement (figure de droite) en torsion, pour un composite verre/poxy [Dewimille, 1982].
Il apparat enfin que le coefficient damortissement en torsion est beaucoup plus sensible la prsence de leau que le module et que son volution en fonction de Mt est trs nettement
dpendante de la temprature. Aprs schage des prouvettes, lamortissement et le module de
torsion retrouvent leurs valeurs dorigine malgr des dgradations irrversibles ; cest donc
essentiellement la prsence deau dans la matrice et le long des interfaces qui provoque les
modifications du comportement en torsion.
Chapitre I - Bibliographie
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Evolution des proprits en fatigue
Linfluence du vieillissement sur le comportement en fatigue de matriaux composites a aussi fait
lobjet de plusieurs tudes. Dans des circonstances varies, il savre que la prsence deau
diminue la dure de vie en fatigue de composites renforcs par fibres de verre [Aveston, 1980 ;
Dewimille, 1980 ;] ou fibres de carbone [Morton, 1988]. Limportance des effets observs dpend
ici aussi du type de matriau test. Nous navons pas approfondi la recherche dinformations dans
ce domaine car il ne fait pas lobjet de cette tude.
I.2.5.c Rversibilit / irrversibilit des volutions de proprits aprs schage
Comme dj voqu dans le paragraphe I.2.2, le phnomne de plastification, qui explique les
augmentations de masse pour les cintiques dabsorption des cas (0), (1) ou (2) de la figure I.4, est
rversible. Laspect rversible des dgradations serait d la plastification du polymre par leau.
Lorsque celle-ci est limine par schage, la mobilit molculaire diminue, la cohsion interne
augmente et les proprits mcaniques sont en grande partie recouvres.
Au contraire, les ractions chimiques voques dans le paragraphe I.2.3 sont irrversibles. Les
dfauts crs, les liaisons rompues conduisant lacclration du vieillissement ne peuvent pas
tre rpars.
Concernant les proprits mcanique, dans la littrature, la chute de la Tg est souvent donne
comme totalement rversible [Maggana, 1997 ; Jones, 1987 ; Popineau, 2005]. Cette hypothse est
contredite par certaines tudes qui montrent clairement que la chute de Tg nest que partiellement
rversible, et quil y a donc une dgradation du rseau rticul [Bao, 2001 ; Ivanova, 2001]. La
chute du module dYoung E dune rsine poxy prsente soit un recouvrement total pour
certains systmes, soit un recouvrement trs partiel de sa valeur initiale.
Aprs schage, un matriau composite retrouve galement, selon les cas, une partie seulement ou
la totalit de ses proprits initiales [Dewimille, 1981 ; Springer et al., 1981 ; Drzal et al., 1985]. Le
taux de rcupration dpend du type et de limportance des endommagements irrversibles
provoqus par le vieillissement. Laspect irrversible des baisses de proprits mcaniques est
reli la dgradation chimique (hydrolyse) de la rsine ou des endommagements au niveau des
interfaces fibres-matrice par exemple.
I.2.6 OBSERVATIONS MICROSCOPIQUES DES DEFAUTS CREES AU COURS DU VIEILLISSEMENT
Afin de mieux identifier les modes de dgradations du matriau en prsence dhumidit, il est
intressant de raliser des observations microscopiques. Plusieurs auteurs ont ainsi observ au