Couplage diffusion d'humidité / contraintes internes dans les matériaux composites

Stress-dependent moisture diffusion in composite materials

• Auteur / Autrice : Georges Youssef
• Direction : Frédéric Jacquemin, Sylvain Freour
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance en 2009
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Contraintes (mécanique)

Analyse multiéchelle

Composites

Résumé

Les matériaux composites à matrice polymère sont aujourd'hui utilisés dans de nombreuses applications industrielles. Ces matériaux composites interagissent avec l'environnement puisqu'ils absorbent de l'humidité principalement par le biais de leur matrice polymère. La mécanique des milieux continus et les modèles de transition d'échelles (modèle de Kröner-Eshelby) fournissent des informations complémentaires sur la localisation des contraintes hygro-mécaniques dans les plis, les fibres et la matrice des matériaux composites. Dans un premier temps, une approche hygro-élastique découplée est menée pour déterminer la concentration en eau (loi de Fick) puis les contraintes internes multiéchelles induites. L'originalité de cette première partie réside dans la prise en compte de l'évolution des propriétés des constituants et des plis composites (tenseur de raideur et coefficients de dilatation hygroscopique) en fonction de la teneur en eau, tout au long du processus de diffusion de l'humidité. Cette dépendance se répercute de façon significative sur les contraintes internes multiéchelles. Dans un second temps, une modélisation du couplage hygro-mécanique entre les états mécaniques internes et les paramètres gouvernant le comportement diffusif, coefficient de diffusion et capacité maximale d'absorption, est proposée. Ce couplage est tout d'abord introduit au niveau de la matrice hydrophile puis étendu aux plis composites par l'intermédiaire de l'approche multiéchelle. La comparaison avec une approche découplée traditionnelle permet de mettre en évidence la forte interaction entre le comportement diffusif et les contraintes internes.

Organic matrix composite materials are used nowadays in many industrial applications. These composite materials interact with the environment since they absorb moisture, mainly through their polymeric matrix. The continuum mechanics and scale transition model (Kröner-Eshelby approach) provide complementary information about the localization of the hygro-mechanical stresses in the plies, the fibers and the matrix of the composite materials. On the one hand, an uncoupled hygro-thermo-elastic approach is carried out to determine primarily the water concentration (Fick's law) and then the induced multi-scale internal stresses. The originality of this first part is based on the accounting for moisture content dependent properties of the constituents and the composite ply (tensor of stiffness and hygroscopic expansion coefficients), throughout the process of moisture diffusion. This dependence strongly affects the multi-scale internal stresses. On the second hand, a modeling of the hygro-mechanical coupling between the internal mechanical states and the parameters controlling the diffusive behaviour, moisture diffusion coefficient and maximum moisture absorption, is proposed. This coupling is, at first introduced for the constitutive matrix and then extended to the composite plies through a multi-scale approach. The comparison with a more traditional uncoupled approach points out the strong interaction between the diffusive behaviour and the internal stresses.