Des essais de compression menés sur des composites unidirectionnels (T300/914, T800/5245C, M40J/913, GY70/V108 et AS4/PEEK) ont montré deux modes de rupture: formation des bandes de cisaillement et rupture des fibres en compression. Les matériaux étudiés présentent un comportement non-linéaire élastique caractérisé par une décroissance continue du module tangent. Un modèle analytique (fibre, matrice élastique) tenant compte des ondulations initiales a été développé. L'évolution des contraintes dans les constituants a été analysée et comparée avec les contraintes à rupture. Ce modèle permet de distinguer deux modes de rupture et de déterminer les paramètres importants de la rupture. Afin d'affiner la modélisation, un modèle numérique se basant sur la méthode des éléments finis a été réalisé. L'évolution des contraintes dans la fibre a été analysée et comparée avec sa tenue en compression. La prise en compte des imperfections géométriques initiales et des propriétés élastoplastiques de la matrice a permis de déterminer les paramètres gouvernant la rupture (les imperfections géométriques, la tenue de la fibre et la limite d'élasticité de la matrice), et de proposer deux mécanismes de rupture : rupture des fibres en compression et rupture par formation des bandes de cisaillement

L’utilisation des composites à matrice organique pour des applications structurales à haute température est de plus en plus souvent envisagée, notamment dans certaines zones de turbomachines aéronautiques. A cette fin, il devient nécessaire d’analyser les effets du vieillissement thermo-oxydant sur le comportement mécanique d’un polymère et des composites associés. Cet ouvrage met en relief des méthodologies expérimentales originales qui permettent, par analyse inverse, de développer et d’identifier une loi de comportement du polymère dépendant du vieillissement ainsi que les déformations d’origine chimique. Ces informations sont utilisées pour le calcul des contraintes internes induites par un vieillissement thermo-oxydant dans des composites unidirectionnels à fibres continues de carbone. Comportement mécanique des composites à matrice organique se différencie des autres ouvrages par son approche. Il examine des lois de comportement thermomécaniques locales dépendant de l’oxydation grâce à l’emploi d’essais couplés et non couplés à l’échelle microscopique. Il présente des modèles originaux afin d'intégrer toute la richesse de la phénoménologie observée expérimentalement, grâce à l'emploi de variables internes correctement choisies.

Cette thèse est une contribution à la compréhension du comportement des composites carbone-époxy en compression par l'étude de l'influence des constituants (fibres et matrices). L'incidence d'un chargement mécanique d'amplitude constante ou variable sur la durabilité est étudiée et un modèle numérique permettant la prédiction de la résistance résiduelle est proposé. Une première partie des travaux s'intéresse aux mécanismes spécifiques engagés dans la résistance en compression. Un modèle analytique est retenu pour une confrontation expérimentale. Ce modèle propose de considérer d'une part le micro-flambage de la fibre comme contenu par le comportement en cisaillement de la matrice (Budiansky et Fleck, 1993). En complément, une partie supplémentaire de structure considérant, entre autres, l'influence du gradient de déformation induit dans une sollicitation en flexion 4 points est étudiée (Grandidier, 2002). Afin de valider la pertinence du modèle, une campagne expérimentale est menée sur six matrices époxy différentes (de fragile à ductile) dans des empilements stratifiés monolithiques identiques réalisés en cuisson autoclave. Ces résultats ont permis de valider la capacité du modèle à prédire l'influence de la rigidité de la matrice sur la résistance en compression. Le partie micro-flambage est validée pour la prise en compte de la matrice. La partie effet de structure (gradient ici) est validée par une comparaison avec des résultats supplémentaires obtenus sur des éprouvettes sandwich sollicitées en flexion. Ces dernières éprouvettes ont fait l'objet d'une conception spécifique afin de favoriser la rupture en compression pure (sans gradient de déformation). Une seconde partie est consacrée à l'étude de la durabilité en compression. Une campagne expérimentale d'essais de fatigue est menée en flexion 4 points sur les éprouvettes sandwich précédemment conçues. Les essais sont conduits à une fréquence de 10 Hz et différents rapports de charge dans une optique de dégager l'évolution de la résistance résiduelle. Un modèle numérique de changement d'échelles (stratifié, plis, constituants) est parallèlement développé, basé sur la dégradation et la plasticité de la matrice. On fait l'hypothèse de simplicité thermo-rhéologique de la matrice pour établir des courbes de maitresses à partir d'une série d'essais identifiés (fluage, relaxation, fatigue...). On utilise les propriétés résiduelles du pli (rigidité, résistance) pour estimer un indicateur d'endommagement. Ce dommage est répercuté dans les propriétés de la matrice au moyen d'une loi de dégradation linéaire. Une loi de cumul de dommage de type Miner est alors introduite pour tenir compte de la variabilité des chargements appliqués. Un solveur micro- mécanique est développé pour extraire le comportement non-linéaire du pli en cisaillement tenant compte de la dégradation. Ce comportement est paramétré par une loi de Ramberg-Osgood utilisée dans le modèle analytique validé précédemment. Les travaux des deux parties permettent donc la mise en place d'un outil de prédiction de la résistance résiduelle des plis sollicités dans un chargement biaxial plan, avec en particulier le traitement de la compression.

Les composites à fibres de carbone et matrice organique sont pressentis pour réaliser certaines parties structurales de l'ATSF (Avion de Transport Supersonique du Futur). Une étude de durabilité va être menée pour vérifier que les conditions d'exploitation de l'avion (60 000 h de vol supersonique à 120°C) soient bien supportées par les matériaux. Pour simuler le comportement mécanique sur des durées aussi longues, on choisit un modèle viscoélastique non linéaire, qui utilise une répartition gaussienne des temps de relaxation. Une méthodologie d'identification est établie, séparant les contributions des différents paramètres. Deux matériaux sont étudiés : T800H/F655-2 et IM7/977-2. Les essais mécaniques retenus pour décrire le contexte thermomécanique d'utilisation sont des maintiens sous charge, sans endommagement, à 120°C.

L'étude qui a été réalisée afin de mieux comprendre le comportement en compression des composites présente deux aspects : d'une part, la qualification de méthodes d'essais de compression sur composites, d'autre part, la mise en ouvre d'un essai micromécanique sur éprouvette monofilamentaire afin de solliciter la fibre de carbone en compression. Il apparait que la rupture d'un composite en compression est fortement dépendante du mode de sollicitation (compression axiale ou flexion), ainsi que du type d'empilement. Dans le cas d'essais de compression directe, les résultats les plus disperses sont obtenus pour un composite unidirectionnel ; les déformations à rupture sont augmentées lorsqu'on utilise des empilements croises. Les déformations en compression les plus élevées sont atteintes en induisant la sollicitation par flexion avec le montage de flambage rotule qui a été développé, mais la rupture se produit alors sur la face en traction. Les essais micromécaniques, interprétés à l'aide d'une modélisation analytique du microflambage de la fibre, montrent que la déformation à rupture d'une fibre de carbone haute résistance en compression est largement plus élevée que celle d'un composite. On peut donc en conclure que la rupture en compression du composite est déclenchée par un effet combine fibres/matrice : le microflambage coopératif des fibres et le support moindre de la matrice dans le cas du composite favorisent une rupture prématurée par rapport au cas de l'éprouvette monofilamentaire

Les matériaux composites à matrice organique sont largement utilisés dans l'industrie des transports et notamment dans le domaine aéronautique. Pour permettre un dimensionnement optimal des structures, il est nécessaire d'étudier le comportement des matériaux CMO sur une large gamme de vitesses et de températures.L'objectif de cette thèse est de proposer un modèle de comportement et de rupture permettant de prédire la réponse des CMO sur une large gamme de vitesses de sollicitation et de températures. Les recherches se sont intéressées dans un premier temps à la caractérisation de la transition entre les régimes de comportement linéaire et non linéaire du matériau unidirectionnel T700GC/M21 (renforts de fibres de carbone, résine époxy), ainsi qu'à la dépendance de cette transition à la vitesse de sollicitation et à la température. Les travaux se sont ensuite focalisés sur l'étude expérimentale du régime de comportement non linéaire endommageable du T700GC/M21. Enfin, au terme de ces deux étapes, une version améliorée du modèle disponible à l'ONERA pour les composites stratifiés (OPFM) a été proposée, version intégrant un critère de transition linéaire/non linéaire de comportement, et une prise en compte de l'influence de la vitesse de sollicitation et de la température sur la réponse du matériau.