Microfissuration de composites renforcés par des nappes multiaxiales cousues soumis à des cycles hygrothermiques

par Pierre-Jacques Liotier

Thèse de doctorat en Mécanique et ingéniérie

Sous la direction de Alain Vautrin.


  • Résumé

    La durabilité des composites à matrice polymère est un paramètre critique pour les applications structurales, en particulier dans l’aéronautique. L’apparition de nouveau renforts composites multiaxiaux constitués de plis unidirectionnels non-tissés cousus du type NCF (Non Crimp Fabrics) impose une nouvelle approche de leur durabilité en raison de leur morphologie spécifique due à la présence du fil de couture. L’étude concerne un nouveau type de NCF, les NC2 développés par la société HEXCEL Corporation S. A. S. Les coutures forment des zones lenticulaires dans les plis unidirectionnels, d’où la création de zones riches en résine tridimensionnelles dans le stratifié final. Afin de caractériser la morphologie spécifique de ces zones et l’endommagement au cours de cycles de vieillissement, nous avons développé un partenariat avec l’USBB (Unité de Science du Bois et des Biopolymères) à Bordeaux, qui a une expertise dans le domaine de l’imagerie 3D par microtomographie aux rayons X. L’étude porte sur le processus de microfissuration de ces matériaux sous une sollicitation hygrothermique cyclique endommageante. Il est en effet essentiel de préciser l’effet éventuel des zones riches en résine sur le comportement du matériau en vieillissement hygrothermique. Pour cela, nous avons mis au point une sollicitation cyclique et développé une méthode originale de caractérisation de la microfissuration basée sur des observations métallographiques destructives permettant de maîtriser la position des plans d’observations par rapport aux points de couture. La comparaison des états de fissuration a été rendue possible par l’adaptation du paramètre densité de fissures. La répartition tridimensionnelle de la microfissuration et son interaction avec les zones riches en résine a enfin été abordée par microtomographie X. L’étude de plusieurs stratifiés croisés avec deux orientations de la couture et des stratifiés quasi-isotropes a permis la caractérisation de la morphologie des zones riches en résine et des paramètres influents. Le titre du fil, sa tension dans le point de couture et le drapage utilisé se sont révélés importants. Il a alors été possible de déterminer l’influence de la morphologie des zones riches en résine sur l’évolution de la densité de fissuration dans l’échantillon, à savoir que plus la zone riche en résine est étendue, plus la densité de microfissures est élevée en fin de sollicitation. Enfin, pour la sollicitation hygrothermique utilisée, aucun effet de l’humidité n’a été détecté. Cela peut être lié à la faible sensibilité à l’humidité de la résine utilisée dans le cas présent. Un mode de fissuration propre aux multiaxiaux assemblés par couture a été identifié. Les fissures apparaissent en premier lieu dans les zones riches en résine puis dans les zones composites en second lieu. Les fissures dans les zones riches en résine apparaissent clairement avant celles des zones composites. Ce constat a pu être vérifié par la sollicitation de stratifiés non-cousus. Une influence de la nature du fil et de la taille de la zone riche en résine a été caractérisée. Finalement, des propositions en vue de réduire la fissuration précoce des zones riches en résine ont été formulées.

  • Titre traduit

    Microcracking of composites reinforced by multiply stitched preforms under cyclical hygrothermal loading.


  • Résumé

    Durability of polymer matrix composites is a critical property for structural applications and even more in the aerospace domain. The development of new reinforcements constituted of stitched unidirectional non-woven stacks : the NCF (Non Crimp Fabrics) requires a new characterization of the microcracking phenomena because of their specific morphology. The study considers a new type of NCF, the NC2 developed by HEXCEL Corporation S. A. S. , The stitching causes lenticular perturbations of the fibres alignment in the unidirectional plies. This implies the occurence of 3D resin rich regions in the laminate after processing. To characterize the specific morphology of these resin rich regions, we developed a partnership with the USBB (Unité de Science du Bois et des Biopolymères) in Bordeaux which has an expertise in the 3D imaging by X-ray microtomography. The study deals with the microcracking of NCF reinforced composites due to damaging hygrothermal loading. The specific effects of the resin rich regions on the behaviour of the material under hygrothermal loadings should be characterize. We developed a method based on metallographic observations with refined control of the observation section location regarding the stitching yarn. The comparison of the microcracking state between several types of laminates has been allowed by the adaptation of a parameter characterizing the crack density. The 3D repartition of the microcracks has also been studied by X-ray microtomography. The study of crossply laminates, with different stitching orientations, and quasi-isotropic laminates allows the analysis of the resin rich areas morphology. The tightness and the size of the stitching yarn and the stacking sequence as well have been found to have a significant effect. This makes it possible to determine the influence of the resin rich area morphology on the evolution of the crack density inside the sample. It is shown that the crack density is a growing fonction of the size of the resin rich areas. At last, no effect of the humid period could be detected for this hygrothermal solicitation. This could be due to the low sensitivity of the resin to humidity. This study has revealed a microcracking mode proper to stitched laminates. The cracks appear first in the resin rich regions and then within the composites areas. This has been validated by the loading of unstitched laminates. The stitching yarn nature and the resin rich areas size have an influence on the microcracking phenomenon. We have then made several proposals to solve this early microcracking problem.

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  • Détails : 1 vol. (199 p.)
  • Annexes : Bibliogr.

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  • Disponible pour le PEB
  • Cote : 620.192 LIO
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