Effets de la thermo-oxydation sur le comportement mécanique de matériaux composites pour applications aéronautiques

Study of the effects of thermal oxidation on the mechanical behaviour of aeronautical composite materials

• Auteur / Autrice : Matteo Minervino
• Direction : Marie-Christine Lafarie-Frenot, Marco Gigliotti
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des solides, des matériaux, des structures et des surfaces
• Date : Soutenance le 18/11/2013
• Etablissement(s) : Chasseneuil-du-Poitou, Ecole nationale supérieure de mécanique et d'aérotechnique
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et ingénierie des matériaux, mécanique, énergétique et aéronautique (Poitiers ; 2009-2018)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Pprime / PPRIME
• Jury : Président / Présidente : Jacques Lamon
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Claude Grandidier, Yann Marco, Yves Rémond
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Luc Loubet, Jean-François Maire

Mots clés

Mots clés contrôlés

Polyimides

Résines époxydes

Endommagement, Mécanique de l' (milieux continus)

Polymères -- Détérioration

Composites à fibres de carbone

Mots clés libres

Loi de comportement polymère

Mechanical bhaviour of polymers

Résumé

L’oxydation conduit à une modification des propriétés mécaniques de la matricepolymère, associée à sa fragilisation, et à la création de déformations résiduelles (retrait) quiinduisent l'amorçage et le développement d'endommagements.Avec l’objectif de prévoir l’amorçage de ces endommagements, il est nécessaire de calculerl’état des contraintes à différentes échelles du matériau vieilli. Il faut donc disposer demodèles de comportement du polymère et du composite dépendant du niveau d’oxydation.Deux types de difficultés se présentent : l’une associée à la nature locale de ce phénomène,difficilement captée par des essais classiques (traction, compression…) et l’autre de parl’aspect visqueux du comportement mécanique, qui doit être identifié sur les temps courts etles temps longs. Ce travail – conduit dans le cadre du programme COMPTINN' – est consacréà l'étude des effets de la thermo oxydation sur le comportement mécanique de deux polymères(une résine Epoxy et une résine Polyimide) et des composites associés (à fibres de carbone),ainsi qu'à la caractérisation de l'amorçage des endommagements induits par la thermooxydation de la matrice. Cette étude se compose de trois parties : mise en place d'une nouvelleméthodologie numérique/expérimentale pour l'analyse des effets de la thermo oxydation sur lecomportement mécanique local du polymère et le développement d'une loi constitutiveappropriée ; mise en place d'une nouvelle approche numérique/expérimentale pour le calculdu champ des retraits matriciels sur la surface des composites UD, conduisant, au cours duvieillissement, à l’amorçage des décohésions fibre/matrice ; développement d'une techniqueexpérimentale pour l'étude de l'interaction mécanique/oxydation au cours d'essais de fatiguede composites stratifiés.

It has been previously shown that, at medium temperatures, carbon fibres -epoxy matrix composites can be affected by thermo-oxidation that is a coupled phenomenonof oxygen diffusion and chemical reaction taking place in the oxidation sites present in themolecular structure of the organic matrix. Thermo-oxidation can lead to damage thecomposite surface, without any applied external load.This work has been conducted within the framework of the COMPTINN' project, aiming tostudy the effects of thermal oxidation on the mechanical behaviour of two polymers (an epoxyresin and a polyimide resin) and of the corresponding composites (carbon fibre), and tocharacterize the matrix damages promoted by isothermal ageing. This study is composed ofthree parts: development of a new numerical/experimental technique for characterizing theeffects of thermal oxidation on the local mechanical behaviour of the studied polymers andidentification of a constitutive law; development of a new numerical/experimental approachfor calculating the matrix shrinkage field on the unidirectional composite surfaces, whichleads, during ageing, to the onset of fibre/matrix debonding phenomenon; development of anovel experimental technique for studying the interaction between the mechanicalsolicitations and the oxidation degradation mechanisms through fatigue tests.