Étude de la tenue à l’impact après vieillissement en fatigue, des composites stratifiés à base d’acrylique

Study of the impact resistance of laminated composites based on Elium acrylic matrix subjected to prior fatigue aging

• Auteur / Autrice : Tomasz Libura
• Direction : Alexis Rusinek, Rodrigue Matadi Boumbimba, Zbigniew L. Kowalewski
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Science des matériaux
• Date : Soutenance le 09/11/2022
• Etablissement(s) : Université de Lorraine en cotutelle avec Instytut podstawowych problemów techniki (Pologne)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale C2MP - Chimie mécanique matériaux physique (Lorraine)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Etude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux (Metz ; 2011-....)
• Jury : Président / Présidente : Zdzisław Nowak
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexis Rusinek, Rodrigue Matadi Boumbimba, Zbigniew L. Kowalewski, Nadia Bahlouli, Tomasz Lodygowski, Marion Martiny-Weitig, Jerzy Małachowski
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nadia Bahlouli, Tomasz Lodygowski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Essais de résilience

Matières plastiques renforcées avec des fibres

Composites thermoplastiques

Impact

Composites -- Fatigue

Mots clés libres

Fatigue

Composites

Impact

Composite

Fatigue aging

Impact

Résumé

La résistance à l'impact est l'une des caractéristiques les plus essentielles des structures composites, par conséquent, son examen pour un nouveau matériau a une importance fondamentale. Cette thèse de doctorat est consacrée à la caractérisation de la résine thermoplastique ELIUM Acrylique renforcée par un tissu de fibres de verre tissées, qui appartient à une nouvelle catégorie de matériaux nécessitant des tests poussés avant leur application dans l'industrie. Sa haute résistance, son faible poids ainsi que son faible coût de production offrent d'excellentes opportunités pour de nombreuses applications dans l'industrie automobile en remplacement des stratifiés à base de polymères thermodurcissables. Cette étude présente un travail expérimental en lien avec l'effet de l'endommagement dû au vieillissement en fatigue à faible et haut nombre de cycles, de deux groupes de composites [0°/90°]4 et [45°/ 45°]4, sur leurs résistances à l'impact basse et grande vitesse. Une comparaison entre les données expérimentales et les résultats issues des simulations numériques au moyen d'un modèle macroscopique proposé pour les échantillons GFRE [0°/90°]4 non vieillis de 1.8 mm d'épaisseur est présentée. La réponse des matériaux au chargement en fatigue a été évaluée à travers l'analyse de la variation de rigidité. Ce programme de vieillissement en fatigue a été interrompu pour une valeur donnée de la chute de la raideur, avant la rupture de l'éprouvette. La rigidité initiale a été réduite d'environ 17 % pour le composite GFRE [0°/90°]4, après les tests LCF ou HCF. Cette réduction était beaucoup plus prononcée dans le cas du composite GFRE [45°/45°]4. Elle était estimée à 48 %. La résistance à l'impact basse vitesse a été mesurée en termes de force maximale, d'énergie absorbée et de seuil de pénétration, tandis que la résistance à l'impact grande vitesse a été mesurée en termes de limite balistique et de dissipation de l'énergie totale. Les éprouvettes non vieillies impactées à des énergies de 5 J, 10 J et 30 J n'ont pas été perforées et arborent une grande capacité à faire rebondir l'impacteur. Les composites impactés, ayant été soumis au préalable à la fatigue à faible nombre de cycles (LCF) ont montré la plus forte diminution de la pente initiale sur courbes caractéristiques de la force en fonction du déplacement. Cette réduction significative de la rigidité est causée par la fissuration de la matrice et le décollement de l'interface entre les fibres et la matrice. La réduction de la force maximale pour les essais réalisés à une énergie d'impact de 50 J pour les composites vieillies : GFRE [0°/90°]4 et GFRE [45°/45°]4 était d'environ de 11 % et 19 %, respectivement. L'analyse de l'évolution de l'énergie absorbée lors des tests d'impact a permis de confirmer que les matériaux vieillis GFRE [45°/45°]4 présentaient la plus faible résistance aux chocs. Comme pour les résultats obtenus en impact basse vitesse, l'analyse de la dissipation d'énergie et de l'évolution de la force d'impact lors des essais de perforation a permis de conclure que les plaques composites GFRE [0°/90°]4, ayant au préalable subi un chargement en fatigue, avaient les meilleures performances balistiques et une dissipation d'énergie plus élevée que celle du composite GFRE [45°/45°]4. Il a également été observé que les composites GFRE [45°/45°]4 vieillis en fatigue par chargement cyclique à une contrainte inférieure ou supérieure à la limite élastique avaient des limites balistiques inférieures de 20 m/s à celles de composites vieillies GFRE [0°/90°]4. Les prédictions numériques des limites balistiques, des vitesses résiduelles ainsi que l'analyse de l'absorption d'énergie réalisée à l'aide du code éléments finis ABAQUS/Explicit ont montré un bon accord avec les données expérimentales et ont confirmé la pertinence de l'approche proposée.

Impact resistance is one of the most critical features of the composite structures, and therefore, its examination for a new material has a fundamental importance. This thesis is devoted to the characterization of the fully recyclable thermoplastic ELIUM Acrylic resin reinforced by glass fabric woven that belongs to a new category of materials requiring advanced testing before their application in responsible elements of engineering structures. Its high strength, low weight as well as low production cost give an excellent opportunities to its wide application in the automotive industry as a replacement of the thermoset-based laminates. The study presents an experimental work concerning the effect of damage due to low and high cyclic fatigue aging of two groups of specimens with two different woven fabric orientations in relation to the acting load: [0°/90°]4 and [45°/45°]4, on their low and high impact velocity properties. Subsequently, a comparison of the experimental data with the results of numerical simulations predicted by the macroscopic model proposed for the non-aged GFRE [0°/90°]4 specimens of 1.8 mm thickness are shown. A response of the materials on fatigue loading was evaluated in terms of the stiffness variation analysis. The fatigue aging program was interrupted at a given value of the stiffness drop, prior to the specimen failure. The initial stiffness was reduced by about 17 % for the GFRE [0°/90°]4, after either LCF or HCF tests. Such reduction was much more pronounced in the case of GFRE [45°/45°]4. It was equal to 48 %. The low velocity impact resistance was measured in terms of load peak, absorbed energy and penetration threshold, while the high velocity impact resistance using the ballistic limit and total energy dissipation. The non-aged specimens impacted at energy of 5 J, 10 J and 30 J were not perforated and showed a great ability to rebound the impactor. The composites subjected to low cyclic fatigue (LCF) demonstrated the greatest decrease of the initial slope of the force-displacement characteristics. It results from the significant reduction of stiffness caused by the matrix cracking and interface debonding taking place between the fibers and matrix. The maximum force reduction for tests carried out at the impact energy of 50 J for GFRE [0°/90°]4 and GFRE [45°/45°]4 was equal to 11% and 19%, respectively. Analysis of the absorbed energy during impact tests confirmed, that the aged materials containing the woven fabric oriented at the angle of 45° exhibited the weakest impact resistance. Similarly to the tests at low velocity impact, the analysis of the energy dissipation and evolution of the impact force during perforation tests confirmed, that GFRE [0°/90°]4 plates subjected to uniaxial fatigue loading had better ballistic performance and higher energy dissipation than GFRE [45°/45°]4 targets. It was also observed that specimens of GFRE [45°/45°]4 aged by cyclic loading at the stress either below or above the yield point had 20 m/s lower ballistic limits compared to those of GFRE [0°/90°]4. Therefore, one can conclude that the fibers orientation, fatigue aging, and glass fibers concentration significantly affect the elastic properties, and as a consequence, lead to the stiffness reduction and decrease of the energy absorbed and ballistic limit. The results are in agreement with the analyzes of damage phenomena. The numerical predictions of the ballistic limits, residual velocities as well as the analysis of energy absorption performed using the finite element software ABAQUS/Explicit exhibited a good agreement with the experimental data and confirmed the relevance of the approach proposed.