Identification rapide des propriétés diffuso-mécaniques de matériaux polymères et composites pour applications aéronautiques

par Anani Djato

Thèse de doctorat en Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces

Sous la direction de Marco Gigliotti et de Marianne Béringhier.

Le président du jury était Frédéric Jacquemin.

Le jury était composé de Cyrille Allery.

Les rapporteurs étaient Yoann Joliff, Paolo Vannucci.


  • Résumé

    L’emploi de matériaux composites à matrice organique (CMO) pour la réalisation de structures aéronautiques « tièdes », peut exposer ces matériaux à l’action d’environnements agressifs, qui peuvent entrainer des phénomènes de vieillissement et de dégradation sévères associés à la diffusion d’espèces au sein du réseau macromoléculaire des matrices polymères. La complexité de la microstructure des CMO utilisés pour ces applications peut complexifier la compréhension de phénomènes de dégradation. Le vieillissement humide des CMO préoccupe particulièrement les industriels du secteur aéronautique ; la diffusion de l’eau dans la matrice polymère du composite peut entrainer des phénomènes de gonflement hygroscopique, des modifications des propriétés mécaniques. Des méthodes expérimentales existent pour la caractérisation de ces phénomènes et pour l’identification des paramètres associés : ces méthodes préconisent souvent l’emploi d’éprouvettes saturées en humidité,ce qui nécessite de longs temps de conditionnement et un nombre élevé d’échantillons. Cette thèse a pour but d’établir des protocoles d’identification rapide des propriétés diffuso-mécaniques de matériaux polymères et CMO pour applications aéronautiques. La démarche mise en place dans cette thèse s’organise autour de quatre chapitres. Le premier chapitre présente une étude bibliographique sur les outils de modélisation des couplages diffuso-mécaniques et sur les méthodes de caractérisation des propriétés diffuso-mécaniques. L’étude bibliographique permet de préciser le cadre de travail, qui prévoit l’emploi d’un modèle diffuso-mécanique faiblement couplé où la diffusion d’eau suit la loi de Fick et le comportement mécanique est hygroélastique linéaire, dépendant de la concentration en eau. Le second chapitre présente la mise en place et le développement d’une méthode d’identification rapide des propriétés de diffusion anisotrope, adaptée à des CMO à architecture complexe.La méthode s’appuie sur des mesures de prise de masse d’échantillons de CMO, l’anisotropie de diffusion de ces matériaux est obtenue par rotation des axes principaux d’orthotropie. La méthode proposée représente une extension de la « méthode de la pente » introduite par Shen et Springer pour l’identification des propriétés de diffusion de matériaux orthotropes, et basée sur l’exploitation des courbes gravimétriques aux temps courts. A travers cette méthode, les coefficients principaux et les axes principaux d’orthotropie peuvent être identifiés. Une discussion sur les conditions d’équivalence de la diffusion 3D à la diffusion 1D en fonction de l’épaisseur de l’échantillon est également présentée à la fin de ce chapitre. Le troisième chapitre explore à travers une étude numérique la possibilité d’identifier rapidement les propriétés mécaniques affectées par la concentration en eau de matériaux polymères à travers des essais mécaniques sur plaques minces avec des gradients de concentration en eau. Des essais de traction et de flexion sont considérés. Pour des matériaux isotropes, dans un cadre hygroélastique, il est montré que cette méthode permet l’identification du module d’Young et du coefficient de Poisson dépendant de la concentration en eau avec un gain remarquable de temps d’essai par rapport à des essais sur des échantillons saturés en humidité. Enfin, le dernier chapitre propose à travers une étude numérique une méthode d’identification rapide des propriétés diffuso-mécaniques de matériaux isotropes basée sur l’emploi de plaques sollicitées par un champ asymétrique de concentration en eau. L’identification est ainsi effectuée à partir du suivi des déflexions engendrées par les champs de concentration. Le coefficient de dilatation hygroscopique et le module d’Young dépendant de la concentration en eau peuvent être identifiés durant l’essai, à l’état transitoire du conditionnement, avec un gain remarquable du temps d’essai par rapport à des essais sur échantillons saturés en humidité.

  • Titre traduit

    Rapid Identification of the Diffuso-Mechanical Properties for Polymeric and Composite Materials for Aeronautical Applications


  • Résumé

    The use of organic matrix composite materials (OMC) for the realization of "warm" aeronautical structures, may expose these materials to aggressive environments: wet or gaseous environments,high temperatures, which may promote severe aging and degradation phenomena related to species diffusion within the macromolecular network of the polymer matrices. The complexity of the OMC microstructure used for these applications can complicate the understanding of degradation phenomena : for example, species diffusion can be isotropic, orthotropic or anisotropic, depending on the texture of the fibrous reinforcement. Humid aging of OMC is of particular concern for the aeronautical industry ; the diffusion of water in the polymer matrix of the composite may promote hygroscopic swelling, changes in mechanical properties (stiffness, strength). Experimental methods exist for the characterization of these phenomena and for the identification of the associated parameters : these methods often recommend the use of moisture saturated specimens, which require long conditioning times, sometimes often a relevant number of samples (1 sample for each saturated state), high costs. The aim of this work is to establish protocols for fast identification of the diffusomechanical properties of polymers and polymer based OMC materials for aeronautical applications. The approach implemented in this thesis is organized in four chapters. The first chapter presents a bibliographic study on coupled diffuso-mechanics modeling tools and on methods of characterization/identification of diffuso-mechanical properties, more particularly for OMC for aeronautical applications. The bibliographic study allows specifying the framework of the present research, which foresees the employment of a weakly coupled diffuso-mechanical model, where water diffusion follows the Fick’s law and the mechanical behavior is linear hygroelastic, depending on water content. The second chap-ter presents the setting up and the development of a method for fast identification of anisotropic diffusion properties, suitable for OMC with complex architecture, such as for instance, 2D or 3Dwoven OMC. The method relies on mass-gain measures of OMC samples, the diffusion anisotropy ofthese materials is obtained by rotating the axes of orthotropy. The proposed method represents an extension of the "slope method" introduced by Shen and Springer in the 1970s for the identification of the diffusion properties of orthotropic materials (such as laminated composites), and is based onthe exploitation of gravimetric curves at short times. Through this method, the principal coefficients and the principal axes of orthotropy can be identified. A discussion about the transition from 3Dto 1D diffusion as a function of the sample geometry is also presented at the end of this chapter. The third chapter explores through a numerical study the possibility of identifying in a fast way the mechanical properties affected by moisture of polymeric materials by the use of mechanical tests on thin plates with water concentration gradients. Traction and bending tests are taken into account.For isotropic materials, in a hygroelastic setting, it is showed that this method allows identifyng the water concentration dependent Young’s modulus and the Poisson’s ratio with a remarkable time gain compared to tests on moisture saturated samples. Finally, the last chapter proposes through a numerical study a method for fast identification of the diffuso-mechanical properties of isotropic materials based on the use of plates loaded by an asymmetric water concentration field. The identification is thus carried out from the monitoring deflections generated by the concentration fields. The moisturedependent hygroscopic expansion coefficient and Young’s modulus can be identified during the test,by exploiting the transient state of conditioning, with a remarkable time gain compared with moisture saturated samples.


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