L'APPROCHE CLASSIQUE DE PREVISION DE LA RESISTANCE DES COMPOSITES UNIDIRECTIONNELS CARBONE/RESINE THERMODURCISSABLE A PARTIR DES PROPRIETES DES FIBRES ET DE L'INTERFACE FIBRE/MATRICE EST MISE A L'EPREUVE DANS LE CADRE DES SYSTEMES A HAUTES PERFORMANCES (ADHESION ELEVEE, RESINE FORTEMENT RETICULEE). LA CARACTERISATION DE L'INTERFACE EN TERMES DE CRITERE DE RUPTURE ET DE FROTTEMENT EST ALORS GENERALEMENT REALISEE PAR L'ESSAI DE DECHAUSSEMENT. APRES AVOIR PRECISE LES LIMITES DE CELUI-CI ET DE SES INTERPRETATIONS ACTUELLES GRACE A UNE MODELISATION NUMERIQUE ET ANALYTIQUE APPROFONDIE (CONTRAINTES RESIDUELLES THERMIQUES, EFFETS DE BORD, TRIAXIALITE), NOUS SOMMES AMENES A PROPOSER UN NOUVEL ESSAI PERMETTANT DE DETERMINER L'ENERGIE DE DECOHESION (APPLICATION AU SYSTEME T800/5250). LA STATISTIQUE DE RUPTURE DES FIBRES T800, SUJETTE A DES ESTIMATIONS CONTRADICTOIRES, EST ENSUITE ECLAIRCIE. LA MODELISATION DE LA RUPTURE DE LA STRUCTURE FIBREUSE EXEMPTE DE RESINE PEUT ALORS ETRE ENTREPRISE. CETTE ETAPE INTERMEDIAIRE PERMET DE VALIDER L'IDEALISATION DU FAISCEAU DE FIBRES. LA MODELISATION CLASSIQUE DE L'ENDOMMAGEMENT DU COMPOSITE EST ENFIN AMELIOREE ET CONDUIT, MALGRE LES APPROXIMATIONS SYSTEMATIQUEMENT AFFAIBLISSANTES DE CE TRAVAIL, A UNE SURESTIMATION DE LA RESISTANCE DE PRES DE 50%, L'EFFET DE RENFORCEMENT RESULTANT DE LA LIAISON FIBRE/MATRICE ETANT SURESTIME D'UN FACTEUR 2. CECI EST ATTRIBUE A UN DECLENCHEMENT ANTICIPE DE LA RUPTURE QUI SERAIT PROVOQUE PAR LA PENETRATION DES FISSURES MATRICIELLES DANS LES FIBRES SOUS SOLLICITATION LOCALE DYNAMIQUE

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.

Les matériaux composites à matrice organique thermodurcissable sont utilisés de plus en plus fréquemment dans l'industrie. Leur principal mode d'endommagement étant le délaminage, appréhender les propriétés en cisaillement interlaminaire de ces matériaux est un problème crucial pour l'ingénieur. De plus, dans certaines structures, des organes mécaniques sont soumis à des sollicitation intenses pendant des temps très courts. La connaissance de la réponse mécanique de ces matériaux sous sollicitation dynamique prend alors tout son intérêt. Dans ce travail, nous proposons des méthodes d'essais fiables, permettant de générer du cisaillement interlaminaire sur matériaux composites, dans un large gamme de vitesses de déformation (10−3d−1 à 103s−1). Cette entreprise est rendue possible par l'utilisation de moyens expérimentaux de type barres d'Hopkinson, et de codes de calcul par éléments finis permettant l'optimisation des éprouvettes et l'analyse précise des résultats expérimentaux. Les deux composites étudiés furent le T300/5208 et le T300/5245C. Le module et la contrainte à rupture en cisaillement interlaminaire ont été déterminés. On ne constate pas d'influence de la vitesse de sollicitation sur ces grandeurs. Un critère de rupture simple a également pu être établi. Le taux de restitution d'énergie critique en mode II, GIIc, a été calculé en statique et en dynamique pour ces deux matériaux.

LES TRAVAUX DE RECHERCHE ONT CONSISTE EN L'ETUDE DES MECANISMES D'ENDOMMAGEMENT ET DE RUPTURE DES MATERIAUX COMPOSITES A FIBRE ET A MATRICE CERAMIQUE. CES MATERIAUX, ELABORES PAR LA SOCIETE EUROPEENNE DE PROPULSION, SONT CONSTITUES D'UNE MATRICE DE CARBURE DE SILICIUM ET D'UNE STRUCTURE FIBREUSE, SOIT DE CARBONE (COMPOSITE C/SIC), SOIT DE CARBURE DE SILICIUM (COMPOSITE SIC (NICALON)-SIC). SUR LE PLAN MACROSCOPIQUE, L'ETUDE DU COMPORTEMENT A LA RUPTURE DES DEUX MATERIAUX S'APPUIE LARGEMENT SUR LA TECHNIQUE DES COURBES DE RESISTANCE A LA PROPAGATION DE FISSURE (COURBE R). L'ETUDE EXPERIMENTALE PERMET, D'UNE PART LA CARACTERISATION THERMOMECANIQUE DU COMPORTEMENT DE CES MATERIAUX SOUS DIVERSES CONDITIONS DE TRAITEMENTS CHIMIQUES ET THERMIQUES. D'AUTRE PART, AU VU DES RESULTATS PRECEDENTS, LA VALIDITE DES COURBES R EST DISCUTEE. CETTE ANALYSE EST COMPLETEE PAR UNE CARACTERISATION FINE DE LA FISSURE PAR RADIOGRAPHIE X ET MARQUAGE THERMIQUE. DANS LE COMPOSITE SIC/SIC, LA ZONE ENDOMMAGEE, CONSTITUEE PRINCIPALEMENT D'UNE FISSURE MATRICIELLE PONTEE PAR DES FIBRES, EST LE SIEGE DE L'ABSORPTION D'ENERGIE PAR FROTTEMENT FIBRES-MATRICE, ET LE PHENOMENE D'EXTRACTION DE FIBRES EST A L'ORIGINE DU COMPORTEMENT NON FRAGILE. LA MODELISATION THEORIQUE DE CE PHENOMENE CONDUIT A LA DETERMINATION DES DISTRIBUTIONS DE LONGUEURS EXTRAITES QUI, RELIEES A L'ANALYSE MORPHOLOGIQUE DES FACIES DE RUPTURE, PERMET DE CONCLURE SUR LE TRANSFERT DE CHARGE FIBRE-MATRICE. UNE EBAUCHE DU CALCUL DES DIFFERENTS TERMES ENERGETIQUES CONFIRME LA PART IMPORTANTE DU MECANISME D'EXTRACTION DE FIBRES. LES RESULTATS THEORIQUES SONT COMPARES A L'ETUDE EXPERIMENTALE AFIN DE PRECISER LE COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE DES MATERIAUX ET LES PARAMETRES MICROMECANIQUES QUI INTERVIENNENT

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

Une étude a été menée sur l'endommagement d'un composite unidirectionnel fibres de verre/matrice époxyde, en traction monotone et en fatigue de traction ondulée. En traction monotone, l'endommagement dans le composite se fait essentiellement par rupture de fibres, suivies de délaminages. En fatigue de traction ondulée, deux différents processus d'endommagement existent. À forts niveaux de chargement applique, l'endommagement est caractérisé par rupture de fibres. Par contre, à faibles niveaux de chargement appliqué, un autre mécanisme d'endommagement associé aux ruptures d'interfaces devient prépondérant. pour décrire les mécanismes d'endommagement à une échelle microscopique, nous avons proposé d'une part un modèle analytique qui permet de déterminer l'effet de la contrainte de cisaillement crée par la rupture des fibres, et d'autre part un modèle de calcul par la méthode des éléments finis, qui permet de montrer la compétition entre deux types de concentrations de contraintes, et ainsi de mettre en évidence l'effet de la fraction volumique locale de fibres sur la séquence d'endommagement. Nous avons également mis en évidence l'effet des défauts d'alignement de fibres dans les mécanismes d'endommagement. Nous avons pu montrer que la rupture de fibres se fait dans les faisceaux de fibres relativement bien alignes sous l'effet de tension, et la rupture interfacique se fait dans les faisceaux de fibres mal alignes sous l'effet de cisaillement.