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Essais & Simulations n°116

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Quels moyens d’essais pour les composites ?

Dossier

Dossier Essais composites LARMAUR-Université de Rennes 1 et SYNERVIA. DECID2 a été soutenu par les Pôles EMC2 (Ensembles Métalliques & Composites Complexes) et PGCE (Pôle Génie Civil & Eco-conception). Concrètement, les principaux objectifs du projet DECID2 étaient de développer des matériaux composites à hautes performances pour des applications mécaniques incluant le génie civil, les constructions et la sureté des infrastructures. Un des buts était également de maîtriser de nouveaux procédés de mise en œuvre des matériaux composites avec l’intégration des fibres optiques comme capteurs de santé structurale (matériaux composites intelligents), de déployer des technologies de co-conception et d’ingénierie simultanée afin d’améliorer plusieurs technologies et de les rassembler dans un démonstrateur industriel et enfin de mutualiser des compétences nouvelles sur lesquelles les dispositifs de formation locale doivent développer des expertises de premier plan, compte tenu des composantes de base du projet DECID2 (partenariat comportant des PME et des équipes de chercheurs académiques). Figures 2. Principe de fonctionnement d’un capteur à réseau de Bragg. Figures 3. (a) Courbe de flexion 3-points jusqu’à rupture sur 5 éprouvettes non-instrumentées. On repère sur ces courbes le début de l’endommagement et la fin de linéarité, (b) Baisse de rigidité des éprouvettes en fatigue à plusieurs niveaux de contrainte maximale. Figures 4a. Position des déformations lues par les deux capteurs ; b) Rapport de la déformation lue par le capteur à réseau de Bragg par la déformation calculée à partir de la flèche maximale pour un essai de charge décharge propriétés des matériaux. Une batterie De façon plus heuristique, les matériaux composites constitutifs de ces d’essais de fatigue (Figure 3b) pour des contraintes maximales situées en deux plateformes de démonstration sont équipés de capteurs en fibres dessous de la contrainte de fin de proportionnalité, a été mise en place et a optiques (en particulier des réseaux de Bragg, Figure 2). Ils sont été soumis à une série d’essais mécaniques tibles des matériaux composites intel- démontré les performances reproduc- (Figure 3a) afin de bien préciser les ligents étudiés. Figure 1. Plateforme en matériaux composites DECID2 sur le site IFSTTAR Centre de Nantes Il est également essentiel de vérifier le comportement du capteur tout au long du cycle de vie d’une éprouvette, et donc d’une structure. Ainsi, la déformation lue par le réseau de Bragg est comparée à la déformation maximale de l’éprouvette calculée à partir de la mesure de la flèche. La fibre optique étant à cœur (Figure 4a), puisque l’essai est un essai de flexion, cela nous donne deux mesures de déformation différentes. Ainsi pour valider le comportement du capteur, il suffit de vérifier que le rapport des déformations est constant tout au long des essais. La Figure 4b présente ce rapport pour des essais de charge-décharge et on observe aisément qu’à partir d’une Essais & Simulations • MARS 2014 • PAGE 56

Dossier Essais composites certaine déformation de l’échantillon, nous obtenons un rapport constant qui traduit une bonne réponse du capteur à réseau de Bragg. Cette étude a démontré plusieurs points très positifs quant à l’insertion de fibre optique dans une poutre en matériau composite, à savoir l’absence de ruptures des fibres optiques lors de la pultrusion, une fiabilité éprouvée lors des essais de fatigue en flexion, un caractère intrusif négligeable et une bonne fiabilité à forte déformation dans le matériau. Figure 5. (a) Nanocellule consideré montrant l’angle d’orientation du CNT en fonction de la contrainte de compression appliquée; (b) Le Module d’Young en fonction de l’angle d’orientation du CNT LES NANOMATERIAUX & NANO- TECHNOLOGIES Les nanotubes de carbone (CNTs) constituent d’excellents candidats pour le renforcement des matériaux polymères. Ils possèdent de remarquables propriétés mécaniques (Module d’Young de 1TPa) et une densité très faible (1.8 g/cm3). Si les nanotubes de carbone sont correctement disperses au sein d’un polymère, une petite fraction massique est capable d’augmenter de façon significative sa raideur. Cependant, cette dispersion constitue un réel obstacle comme reporté dans la littérature spécialisée. Sur la base de l’expérience acquise dans le Projet DECID2, l’IFSTTAR a monté un projet (2009-2012) avec la Direction Générale de l’Armement Figure 6. Réponse mécanique en indentation d’une de résine monolithique et nanorenforcée ; b) Complaisance de Fluage sous indentation et sous 50h d’une matrice monolithique comparée à celle renforcée par des fractions croissantes en nanotubes de carbone. (DGA) où il était question de développer des matériaux composites renforcés par nanotubes de carbones et intelligents. Un effort de modélisation numérique a été produit au début afin d’obtenir une idée précise sur le mécanisme de nano-renforcement induit par la présence des CNTs. Une nanocellule de polymère thermodurcissable de base a été considérée avec un renforcement de 1% en CNTs. Les calculs ont été conduits afin de prévoir les effets d’orientation du CNT par rapport à la direction de sollicitation. Le modèle de Maxwell a été utilisé afin d’évaluer le comportement viscoélastique. La méthode d’homogénéisation avec le modèle d’une interface effective ont été utilisés afin d’évaluer le Module d’Young du matériau modèle nano-renforcé. Il a été montré (Figure 5) que le Module d’Young décroit avec l’augmentation de l’angle d’orientation du CNT avec la direction de sollicitation. La courbe contrainte – déformation a également été simulée et ceci a montré que l’effet de pontage par le CNT est plus efficace quand l’angle d’orientation du CNT augmente de 0° to 90°. Figure 7. Comparaison du comportement en fatigue en flexion 3 points de résines mono (fibres continues en carbone) et birenforcée (fibres continues et nanotubes de carbone). On voit bien le raidissement des cycles du matériau birenforcé. Les résultats obtenus en fluage sous micro-indentation instrumentée sur 30 minutes et sur 50 heures ont révélé un comportement mécanique très amélioré une fois que des fractions massiques très faibles en nanotubes de carbone (de l’ordre de 0,2%) renforcent une matrice époxyde ou vinylester (Figures 6). Ces résultats prouvent de façon claire que le renforcement par Essais & Simulations • MARS 2014 • PAGE 57

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