LE COMPORTEMENT MECANIQUE EN TENSION SUIVANT LES AXES D'ORTHOTROPIE DE MATERIAUX COMPOSITES STRATIFIES, ELABORES PAR INFILTRATION CHIMIQUE EN PHASE GAZEUSE D'UNE MATRICE DE SIC AU SEIN DE STRATES UNIDIRECTIONNELLES DE FIBRES SIC, CROISEES SELON DIFFERENTES SEQUENCES, A ETE ETUDIE EXPERIMENTALEMENT ET PAR SIMULATION NUMERIQUE. L'ETUDE EXPERIMENTALE A PERMIS (I) LA CARACTERISATION MORPHOLOGIQUE DES MATERIAUX ET EN PARTICULIER DE LA POROSITE RESIDUELLE AINSI QUE LA DESCRIPTION DES MECANISMES D'ENDOMMAGEMENT PAR VISUALISATION SOUS CHARGE, (II) L'IDENTIFICATION A PARTIR D'ESSAIS MECANIQUES VARIES D'UNE LOI APPROCHANT LE COMPORTEMENT INDIVIDUEL DES STRATES ET (III) LA CARACTERISATION MECANIQUE DE DIVERS STRATIFIES A PLIS CROISES. LA MODELISATION DE CES STRATIFIES ET LA DETERMINATION NUMERIQUE DES COURBES CONTRAINTE-DEFORMATION EN TENSION, A PARTIR D'UN PROGRAMME D'ELEMENTS FINIS INTEGRANT LE COMPORTEMENT ENDOMMAGEABLE DE CHAQUE STRATE, PERMET DE METTRE EN EVIDENCE L'INFLUENCE DES PARAMETRES D'ELABORATION DES MATERIAUX STRATIFIES SUR LEUR COMPORTEMENT MECANIQUE: SEQUENCE D'EMPILEMENT, EPAISSEUR DES STRATES, TAILLE ET FORME DES POROSITES, DENSIFICATION DE LA MATRICE, INTERPHASE FIBRE-MATRICE.

LE COMPORTEMENT DE L'INTERFACE RENFORT-MATRICE ET CELUI DE LA MATRICE ADJACENTE JOUENT UN ROLE IMPORTANT SUR LES PROPRIETES MECANIQUES DES MATERIAUX COMPOSITES A MATRICE METALLIQUE. AFIN DE CARACTERISER CES COMPORTEMENTS, NOUS AVONS ETUDIE LES PROPRIETES D'INELASTICITE DE DEUX MATERIAUX: AL/12%VOL.SIC ET AL-7075/15%VOL.SIC. LE TRAVAIL EXPERIMENTAL CONCERNE PRINCIPALEMENT L'ETUDE DU FROTTEMENT INTERIEUR (F.I.) TRANSITOIRE QUI RESULTE, LORS D'UNE VARIATION DE TEMPERATURE DE L'ECHANTILLON, DE LA DIFFERENCE ENTRE LES COEFFICIENTS DE DILATATION DES PARTICULES ET DE LA MATRICE. LES CARACTERISTIQUES ESSENTIELLES DES SPECTRES REVELEES PAR LES RESULTATS EXPERIMENTAUX SONT LES SUIVANTES: (I) LES SPECTRES DE F.I. PRESENTENT, AU REFROIDISSEMENT, UN IMPORTANT ET LARGE MAXIMUM A BASSE TEMPERATURE (150K-250K). (II) LE FI AUGMENTE LORSQUE LA VITESSE DE REFROIDISSEMENT ET LA PERIODE D'OSCILLATION SONT AUGMENTEES; CES PHENOMENES SONT LIES A LA PRESENCE DES PARTICULES. (III) LE FI DEPEND DE LA LIMITE D'ELASTICITE DE LA MATRICE ET DE L'HISTOIRE THERMIQUE DU MATERIAU. NOUS PROPOSONS ALORS UN MODELE DE F.I. QUI EXPLIQUE LES PRINCIPALES PROPRIETES MISES EN EVIDENCE. CE MODELE EST FONDE SUR LE MOUVEMENT DES DISLOCATIONS, AU VOISINAGE DES INTERFACES PARTICULE-MATRICE, QUI EST SUPPOSE ETRE CONTROLE PAR: (I) L'EVOLUTION, EN COURS DE REFROIDISSEMENT, DU CHAMP DE CONTRAINTE THERMIQUE DU A LA DIFFERENCE ENTRE LES COEFFICIENTS DE DILATATION DES PARTICULES ET DE LA MATRICE, (II) LA CONTRAINTE D'ORIGINE MECANIQUE INDUITE PAR L'OSCILLATION DU PENDULE, (III) LES OBSTACLES QUI S'OPPOSENT AU MOUVEMENT DE CES DISLOCATIONS, DONT L'EFFET EST REPRESENTE PAR UNE CONTRAINTE DE FROTTEMENT. L'ENERGIE DISSIPEE PENDANT UNE PERIODE D'OSCILLATION EST ALORS CALCULEE NUMERIQUEMENT EN FONCTION DES PRINCIPAUX PARAMETRES CONTROLANT LE PHENOMENE. LES RESULTATS ISSUS DE CE CALCUL SONT EN BON ACCORD AVEC NOS RESULTATS EXPERIMENTAUX

CETTE RECHERCHE, VISANT A ETABLIR DES RALATIONS ENTRE LA MICROSTRUCTURE ET LE COMPORTEMENT MECANIQUE DES COMPOSITES SIC/SIC ELABORES PAR LA SOCIETE EUROPEENNE DE PROPULSION, EST FONDEE SUR UNE APPROCHE MICROMECANIQUE, D'UNE PART, DE L'INTERACTION ENTRE FIBRE ET MATRICE METTANT EN JEU L'INTERFACE ET, D'AUTRE PART, DE LA FISSURATION MATRICIELLE DANS LES MATERIAUX MULTIFILAMENTAIRES. L'ETUDE EXPERIMENTALE DE LA LIAISON MECANIQUE FIBRE-MATRICE, REALISEE PAR LA TECHNIQUE DE MICROINDENTATION INSTRUMENTEEE, CONDUIT A LA MODELISATION DU CISAILLEMENT INTERFACIAL QUI REGIT LE GLISSEMENT FIBRE-MATRICE ET CONTROLE LE TRANSFERT DE CHARGE DE PART ET D'AUTRE D'UNE FISSURE MATRICIELLE. CE MODELE DECRIT LES CONDITIONS DE FROTTEMENT EN PRENANT EN COMPTE L'EFFET DE POISSON ASSOCIE AU CHARGEMENT PAR INDENTATION. L'ESSAI DE TRACTION IN SITU SOUS MICROSCOPE OPTIQUE PERMET D'IDENTIFIER LES PHENOMENES DE RUPTURE OPERANT AU SEIN DU COMPOSITE UNIDIRECTIONNEL ET DU COMPOSITE BIDIRECTIONNEL TISSE. AINSI IL A ETE POSSIBLE DE DECRIRE LES CINETIQUES D'ACCUMULATION DE L'ENDOMMAGEMENT PAR MULTIFISSURATION DE LA MATRICE. L'EXTENSION A HAUTE TEMPERATURE DE CE DISPOSITIF, REALISEE DANS CE TRAVAIL, EN FAIT UN OUTIL PRECIEUX D'AIDE A LA COMPREHENSION DU COMPORTEMENT DE CES MATERIAUX A LEUR TEMPERATURE D'UTILISATION. L'INTERPRETATION DE L'ENDOMMAGEMENT PROGRESSIF DE LA MATRICE S'APPUIE SUR UNE SIMULATION NUMERIQUE, QUI PERMET DE DECRIRE LE PROCESSUS DE MULTIFISSURATION, A PARTIR DE LA NOTION DE GLISSEMENT INTERFACIAL (ETUDIE DANS LA PREMIERE PARTIE PAR INDENTATION) ET DES STATISTIQUES DE RUPTURE DES CONSTITUANTS

CETTE ETUDE, REALISEE DANS LE CADRE DU GROUPEMENT SCIENTIFIQUE FRANCAIS COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE DES COMPOSITES CERAMIQUE/CERAMIQUE A FIBRES, A POUR OBJECTIFS LA CARACTERISATION EXPERIMENTALE ET LA MODELISATION DU COMPORTEMENT MECANIQUE, A TEMPERATURE AMBIANTE, EN TRACTION UNIAXIALE, DE COMPOSITES SIC/SIC ELABORES PAR LA SEP. NOUS AVONS ADOPTE UNE APPROCHE MULTI-ECHELLE: DIFFERENTS MATERIAUX ONT SUCCESSIVEMENT ETE CONSIDERES. LES TORONS: COMPOSITES UNIDIRECTIONNELS CONSTITUES D'ENVIRON 500 FIBRES DE SIC NICALON IMPREGNEES, PAR INFILTRATION CHIMIQUE EN PHASE VAPEUR (CVI), PAR LA MATRICE SIC. LES COMPOSITES MONOCOUCHES: NAPPES DE TORONS DE FIBRES DE SIC TISSES, IMPREGNEES PAR LA MATRICE SIC SELON LE MEME PROCEDE DE CVI. LES MATERIAUX MULTICOUCHES: SUPERPOSITIONS DE STRATES DE TORONS DE FIBRES TISSES, INFILTREES PAR LA MATRICE SIC. LA MODELISATION NUMERIQUE PAR ELEMENTS FINIS PROPOSEE EST FONDEE SUR UNE DESCRIPTION STATISTIQUE DU COMPORTEMENT DES TORONS. CES DERNIERS SONT EN EFFET CARACTERISES PAR UNE DISPERSION IMPORTANTE DE LEURS CARACTERISTIQUES MECANIQUES (SEUILS D'ENDOMMAGEMENT ET DE RUPTURE). CE PHENOMENE NON NEGLIGEABLE A DONC ETE INTRODUIT DANS LA MODELISATION. PAR AILLEURS, L'OBSERVATION EN MICROSCOPIE (OPTIQUE, ELECTRONIQUE A BALAYAGE) DES DIFFERENTS MATERIAUX, A PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE LES PHENOMENES PHYSIQUES SUPPLEMENTAIRES SE PRODUISANT A CHAQUE ECHELLE (FISSURATION MATRICIELLE, DELAMINAGES). LA PRISE EN COMPTE DE CES PARAMETRES DANS LES SIMULATIONS A FOURNI UNE DESCRIPTION CORRECTE DU COMPORTEMENT MECANIQUE ET DE LA DISPERSION DES CARACTERISTIQUES MECANIQUES DES DIFFERENTS MATERIAUX: DES COMPARAISONS CALCUL/EXPERIENCE SONT REALISEES A CHAQUE ECHELLE

LA FINALITE DE L'ETUDE EST DE MODELISER ET D'IDENTIFIER LE COMPORTEMENT MECANIQUE, A TEMPERATURE AMBIANTE, DE DEUX MATERIAUX CERAMIQUE-CERAMIQUE, A STRUCTURE TISSEE, OBTENUS PAR C.V.I. DIFFERENTS MODELES DE COMPORTEMENT MECANIQUE SONT PROPOSES, LES PLUS SIMPLES SONT ISOTROPES ET LE PLUS FIN EST UN MESO-MODELE. TOUS CES MODELES ONT POUR BASE LA THEORIE GENERALE DE L'ENDOMMAGEMENT DEVELOPPEE PAR P. LADEVEZE. ILS ONT ETE CONSTRUITS A PARTIR DE L'EXPLOITATION D'ESSAIS MECANIQUES REALISES AVEC UNE METHODOLOGIE PARTICULIERE QUI COMPREND NOTAMMENT DES SUIVIS VISUELS ET ACOUSTIQUES IN SITU SUR DES ESSAIS DE TRACTION HORS-AXES. CES ESSAIS ONT PERMIS DE METTRE EN EVIDENCE UNE ISOTROPIE DE COMPORTEMENT AVANT ENDOMMAGEMENT ET D'IDENTIFIER TROIS PHASES SUCCESSIVES D'ENDOMMAGEMENT. LES DOMAINES DE VALIDITE DES DIFFERENTS MODELES ONT ETE PRECISES A PARTIR D'ESSAIS DE PRESSION INTERNE ET DE TORSION SUR DES EPROUVETTES TUBULAIRES. LA GAMME DE SOLLICITATIONS CHOISIES POUR CES ESSAIS SUR TUBES A AUSSI PERMIS DE VALIDER L'ESSAI IOSIPESCU POUR L'OBTENTION DU MODULE DE CISAILLEMENT ET DE METTRE EN EVIDENCE QUE L'ENDOMMAGEMENT DE CISAILLEMENT EST FORTEMENT LIE AUX ENDOMMAGEMENTS DANS LES DIRECTIONS DES FIBRES

Ce mémoire présente les travaux de développement d'un outil de simulation numérique du comportement d'un matériau composite textile spécial appelé interlock 3D. Ce tissé composite présente des performances intéressantes de résistance au choc et de tolérance aux dommages. Ces propriétés lui viennent de la présence de torons tissés à travers l'épaisseur. De ce fait, ce matériau peut être une alternative très intéressante aux composites stratifiés conventionnels, qui n'ont que des fibres orientées dans le plan, pour des applications aéronautiques où des éléments sont soumis à des impacts et sujets au délaminage. Ce travail présente une campagne expérimentale qui vise à caractériser le comportement du matériau dans les directions du plan et à travers l'épaisseur. Par la suite des lois de comportement sont développées pour reproduire le comportement dans chaque direction. Mettre en place la mécanique d'endommagement, ainsi que le comportement inélastique ont été les parties les plus complexes. Ce modèle est par la suite implanté dans le logiciel éléments finis ABAQUS/Explicit en utilisant une sous-routine VUMAT. Des simulations du comportement mécanique du matériau sont premièrement réalisées pour valider les prédictions du modèle dans l'ensemble des directions. Ensuite, des essais d'indentation quasi-statique sont effectués et les résultats sont comparés aux prédictions du modèle. Enfin, des simulations dynamiques d'impact sont réalisées sur le composite tissé en utilisant des projectiles rigides et mous ainsi que différentes configurations. Des comparaisons avec des résultats expérimentaux montrent la bonne capacité du modèle à reproduire le comportement du matériau lors de l'impact avec un projectile rigide à faible vitesse. Les hautes énergies d'impact traduisent des lacunes dans la mécanique d'endommagement proche de la rupture. Les résultats d'impact avec un projectile mou à faible vitesse sont encourageants et montrent l'aptitude du modèle à fournir une estimation correcte de la force d'impact, bien que surestimée dans certaines configurations.

L'APPLICATION DIRECTE DE LA MECANIQUE LINEAIRE ELASTIQUE DE LA RUPTURE AUX CERAMIQUES ENDOMMAGEABLES POSE DE NOMBREUX PROBLEMES TOUCHANT AUX CONCEPTS DE BASE. D'AUTRE PART LES THEORIES ANALYTIQUES PORTANT SUR LA MODELISATION DU COMPORTEMENT DE COMPOSITES UNIDIRECTIONNELS NE PEUVENT PAS ETRE UTILISEES DANS LE CAS DE MATERIAUX COMPLEXES TELS LES MATERIAUX COMPOSITES A FIBRES TISSEES. CE TRAVAIL PORTE SUR L'ETUDE DU COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE DE COMPOSITES A FIBRES TISSEES 2D. L'EXPERIENCE ACQUISE AU LABORATOIRE DANS L'ETUDE DU C-SIC NOUS A PERMIS DANS UN PREMIER TEMPS D'UTILISER DANS LE CAS DU SIC-SIC A TEMPERATURE AMBIANTE LES MODELES ENERGETIQUES PROPOSES DANS LA LITTERATURE, TENANT COMPTE DES PHENOMENES ANELASTIQUES. DANS UN SECOND TEMPS, NOUS AVONS COMPARE LE COMPORTEMENT DU SIC-SIC A L'AMBIANTE ET A HAUTE TEMPERATURE SOUS AIR. NOUS AVONS MONTRE QUE LE SIC-SIC DOIT SA HAUTE TENUE MECANIQUE AUX PROPRIETES DE L'INTERFACE QUI LAISSE GLISSER LA FIBRE DANS SA GAINE DE MATRICE, PERMETTANT DES LONGUEURS D'EXTRACTION DE FIBRES IMPORTANTES. C'EST EGALEMENT LA MODIFICATION DE CETTE INTERFACE QUI EST PRINCIPALEMENT RESPONSABLE DE LA DEGRADATION DES PROPRIETES MECANIQUES A HAUTE TEMPERATURE SOUS AIR. BIEN ENTENDU CES MATERIAUX NE SONT PAS UTILISABLES DANS CES CONDITIONS, A MOINS D'UTILISER UNE COUCHE PROTECTRICE