Contribution à la caractérisation en cyclage hygrothermique d'un matériau composite : application à l'avion supersonique
par Jihed Bouden-Jedidi
Thèse de doctorat en Mécanique et matériaux
Sous la direction de Alain Vautrin.
Soutenue en 2005
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Résumé
Les matériaux composites à matrice polymère sont sensibles à la température et à l'humidité relative. Dès lors que des applications structurales sont envisagées, il est nécessaire de contrôler la durabilité des propriétés mécaniques de tels matériaux sous l'effet de divers paramètres environnementaux. Le couplage de ces paramètres et la prise en compte de leurs évolutions sont indispensables, en particulier dans le cas de sollicitations cycliques. Le travail présenté dans le cadre de cette thèse porte sur une application aéronautique où un élément de structure de l'avion supersonique, stratifié carbone/époxyde IM7/977-2, est soumis à des conditions cycliques de température et d'humidité. Au cours des cycles de vol, la température varie entre -55°C, température de service en régime subsonique, et 130°C, température de service en vol supersonique. Le vol à haute température, 130°C, constitue une situation totalement nouvelle pour les matériaux composites à matrice polymère, communément utilisés dans les structures des jets subsoniques où la température de vol est typiquement de -50°C. L'objectif de ce travail est d'étudier l'effet des cycles de service de l'avion sur la durabilité du matériau. Une étude bibliographique exhaustive concernant l'influence de l'humidité sur la durabilité des composites a matrice polymère, ainsi que la modélisation de la reprise d'humidité a été présentée. Ensuite, nous avons identifié les paramètres de diffusion d'humidité du matériau IM7/977-2 selon le modèle de Fick, ainsi que les coefficients de dilatations thermique et hygroscopique. Une méthode basée sur l'identification tridimensionnelle de la loi de Fick a été proposée. Cette méthode permet d'identifier les paramètres sans nécessairement atteindre le palier de saturation et procure ainsi un gain de temps considérable. Nous soulignons l'effet de l'état mécanique interne du stratifié sur les paramètres de reprise d'humidité. Deux méthodes ont été utilisées pour aborder l'identification des coefficients thermo et hygro-élastiques, paramètres indicateurs de la stabilité de la structure en service. Un outil de calcul permettant de prédire les gradients de concentration en humidité, ainsi que l'état mécanique interne est ensuite développé et mis à profit afin de caractériser l'effet particulier de l'échauffement à 130°C, sur le matériau. Les simulations numériques montrent que les cycles de vol induisent sur le long terme un séchage progressif du matériau. Enfin, des cycles représentatifs, reproduisant en accéléré les mécanismes de déformation de service ont été définis. Une méthodologie simple et rationnelle est proposée. La réalisation de gradients impose notamment le choix de géométries et de conditions expérimentales appropriées, permettant d'atteindre un état hygro-mécanique donné en un temps réduit. Deux approches basées sur les gradients de concentration et les contraintes internes ont été proposées. La première approche nous a permis de modéliser des cycles accélérés, 60 fois plus rapides que les conditions de service. La deuxième approche qui tient compte du différentiel thermique de service nous a permis de modéliser des cycles accélérés, 25 fois plus rapides que les conditions de service. Ces cycles accélérés ont été utilisés au laboratoire afin d'étudier la réponse du matériau. Les essais expérimentaux ont montré une diminution de Tg la température de transition vitreuse d'environ 20°C, une évolution des propriétés mécaniques du matériau, ainsi qu'une fissuration du matériau spécifique aux cycles accélérés tenant compte des basses températures.
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Titre traduit
Contribution to the Characterisation of a Composite Material under Cyclical Hygrothermal Solicitations – Applcation to the Supersonic Aircraft
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Résumé
Environmental conditions are known to cause degradation of fibre-reinforced polymer matrix composites. Thus they may have some critical effects on the in-service structural durability. When exposed to temperature and humid environment, polymer matrix composites undergo dimensional and stress state changes due to moisture induced swelling and thermal expansion. The coupling between moisture and temperature and the evolution with time are essential, in particular in the case of cyclic conditions. The study is related to a supersonic transportation application where polymer matrix composites utilized in primary structures are subjected to particular hygrothermal flight-cycles. In fact, the particular point in this study is the drying effect of supersonic flight at high temperature, around 130°C, on the durability of the material. This phenomenon constitutes an entirely new situation for these materials in contrast with a classical subsonic flight at low temperature –50°C. The objective of the study is to characterize the in-service material state. First, an exhaustive bibliographical summary of the influence of moisture on polymer matrix composites durability is presented. Then, an identification method based on Fick's model is proposed to extract the diffusion properties from the gravimetric curves of IM7/977-2 carbon/epoxy composite material. Thanks to this identification method, diffusion parameters can be determined without necessary reach saturation. The effect of laminate's internal mechanical state (stacking sequence) on diffusion parameters values is underlined. Two different experimental methods are used to identify the coefficients of thermal and moisture expansions (CTE and CME), indicators of the structure dimensional stability under in-service conditions. Then, moisture concentration profiles induced by hygrothermal cycles are simulated using a Fickian diffusion model and resulting internal stresses estimated within the framework of hygro-thermo-elasticity. Numerical simulations show that the supersonic flight-cycles induce a material drying on the long-term. Finally, the challenge is to design accelerated cycles in a more rational way based on the knowledge of the internal mechanical state of specimens. Thanks to numerical simulations, two different approaches are used to define accelerated experimental conditions such as the hygroscopic state of the laboratory specimens is close to the in-service hygroscopic state. The first designed accelerated cycle is 60 times faster than the in-service one. The second accelerated cycles, including negative temperatures for a better representation of the transient stress during the subsonic part of flight-cycles, is 25 times faster than the in-service one. Then, these accelerated cycles are tested in laboratory. Experiments showed that the long-term hygrothermal fatigue induce significant changes in the material properties a drop of the glass transition temperature of about 20°C and micro-cracks, specific effect of accelerated cycles including low temperatures.
