Analyse multi-échelle des mécanismes d'endommagement des matériaux composites à morphologie complexe destinés à l'aéronautique

par Yannick Nziakou

Thèse de doctorat en Chimie et Physico-Chimie des Polymères

Sous la direction de Matteo Ciccotti et de Matthieu George.

Soutenue le 15-12-2015

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Physique et chimie des matériaux (Paris) , en partenariat avec ESPCI ParisTech (laboratoire) et de Sciences et Ingénierie de la Matière Molle (laboratoire) .

Le jury était composé de Olivier Allix, Florence Babonneau, John W. Hutchinson, Lucien Lairinandrasana.


  • Résumé

    L’étude porte sur la propagation lente de fissure à température ambiante dans deux classes de polymères à l’état vitreux : le PMMA et la résine époxy-amine stœchiométrique DGEBA-IPD comme prototypes respectifs de thermoplastique (TP) et de thermodurcissable (TD). Des mélanges TD/TP présentant une séparation de phase de nano-domaines de thermoplastique dans une phase dominante de thermodurcissable ont été aussi explorés en vue de leur intérêt en tant que matrice à morphologie complexe utilisée dans les composites à renfort de fibre de carbone destinés à l’aéronautique. Un montage expérimental original a été développé pour le suivi in situ de propagation lente de fissures, combinant une caméra optique, un microscope à force atomique (AFM) et un échantillon sollicité en géométrie Double Cleavage Drilled Compression (DCDC). La possibilité d’accéder ainsi à une gamme de vitesses de propagation entre le pm/s et le nm/s a permis de mettre en évidence pour la toute première fois un régime de propagation stationnaire dans les thermodurcissables (résines pures et mélanges TD/TP) analogue au comportement établi pour les thermoplastiques, et de le caractériser en termes d’une loi cinétique reliant la vitesse de propagation au facteur d’intensité des contraintes (SIF). L’analyse in situ AFM a de plus permis de caractériser les différentes modalités de déformation à l’échelle de la zone de process en combinant l’imagerie topographique et des techniques de corrélation d’images numériques (DIC). Un modèle de prédiction des énergies de rupture en propagation stationnaire ainsi qu’en régime de stick-slip a été développé, en intégrant les champs de déformation visco-plastiques mesurés dans la zone de process, la vitesse de déformation locale, et la loi de comportement des matériaux mesurée à l’échelle macroscopique.

  • Titre traduit

    Multi-scale analysis of damage mechanisms of composite materials with complex morphology for aircraft


  • Résumé

    This work deals with the slow crack growth in glass polymer materials at room temperature, namely PMMA and stoechiometric epoxy-amine DGEBA-IPD resin as archetypes of thermoplastic (TP) and thermoset (TS) respectively. TS/TP blends developing phases separation in nano-domains of thermoplastic during the cure process have also been studied since they are used as matrix with a complex morphology in carbon fibers reinforced composites materials for aircrafts. An innovative experimental setup has been developed for in situ investigation of slow crack growth by combining optical measurements, in situ atomic force microscopy (AFM) and a Double Cleavage Drilled Compression (DCDC) sample. By this way, a steady state crack propagation regime has been highlighted for a first time in thermosets (pure and TS/TP blends) with crack speed ranging from pm/s to nm/s. Thus crack speed and stress intensity factor (SIF) diagrams were established for each material. Furthermore, in situ AFM images allowed characterizing deformations at the process zone scale by combining topographic imaging with Digital Images Correlation (DIC) technique. Finally, we developed a model for predicting fracture energy for steady state propagation and stick-slip regime, based on the visco-plastic strain fields measured round the process zone, the local strain rate, and the constitutive laws of materials measured at the macroscopic scale.


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