Essais dynamiques sur composites - Caractérisation aux basses fréquences

Comme tous les matériaux dits classiques, les matériaux composites présentent des comportements thermomécaniques variables selon leur domaine d’utilisation : dépendance aux sollicitations, effet de la température ou de l’environnement. Les essais mécaniques pratiqués sur ce type de matériaux sont les essais classiques adaptés selon la spécificité du milieu et allant jusqu’à l’essai destructif. L’expérimentateur doit cependant avoir présent à l’esprit trois concepts spécifiques aux matériaux composites.

• Le premier est l’anisotropie qui a trait à la nature du matériau.

  Le matériau composite est macroscopiquement homogène mais présente une anisotropie plus ou moins prononcée selon la nature des renforts. Une transposition pure et simple des techniques appliquées aux matériaux isotropes doit être examinée avec le plus grand soin : l’exemple le plus classique est l’essai de traction hors axe qui engendre des couplages de diverses sollicitations (traction, flexion, torsion) et est source de grande dispersion si il n’est pas pris en compte.

• Le deuxième concept est l’hétérogénéité qui influe sur les essais à un degré moindre que l’anisotropie. Si l’hétérogénéité doit être prise en compte dans les essais de rupture (propagation de fissures) elle doit l’être aussi dans les tech-niques de caractérisation par propagation d’ondes où les inclusions peuvent jouer le rôle de guide d’ondes (cas des matériaux à fibres par exemple).

• Le troisième paramètre à prendre en compte lors d’une campagne d’essais est la forme des éprouvettes. Le nombre de caractéristiques à déterminer et donc le nombre de mesures vont croissant avec le degré d’anisotropie. Une structure composite est une structure figée de laquelle sont extraites les éprouvettes de caractérisation. Ces éprouvettes sont de forme imposée ce qui peut engendrer quelques difficultés. Comment par exemple déterminer le module d’Young dans le sens de l’épaisseur d’une plaque mince anisotrope ? Comment prendre en compte la courbure lorsque les éprouvettes sont extraites d’un tube ou d’un réservoir composite ?

Les matériaux composites à matrice organique possèdent des propriétés d’amortissement essentiellement dues au caractère viscoélastique de la matrice et aux propriétés d’interface fibre-matrice. Ces propriétés mécaniques dépendent plus ou moins fortement de la fréquence d’excitation et de la température. Pour le matériau composite ces propriétés ont une dépendance directionnelle : ce matériau est donc un milieu amortissant anisotrope.

Si les propriétés d’élasticité des matériaux composites peuvent être déterminées par les essais quasi statiques classiques conduisant éventuellement à la rupture, les propriétés d’amortissement nécessitent par essence l’utilisation d’essais dynamiques. En effet, les mécanismes d’amortissement ou dissipation d’énergie lors du mouvement dans les matériaux sont variés : ils peuvent être d’origine visqueuse et dépendre fortement de la vitesse (cas des élastomères et des polymères), ils peuvent avoir aussi pour source des micro-hétérogénéités (cas des matériaux poroélastiques absorbants en acoustique), ils peuvent enfin avoir pour origine des macro-hétérogénéités (cas des matériaux isolants stratifiés utilisés en acoustique).

Dans cet article seront présentés les essais dynamiques permettant de déter-miner le comportement viscoélastique des milieux composites (amortissement visqueux) dans le domaine linéaire. Nous excluons les milieux viscoélastiques travaillant en grandes déformations (élastomères), les milieux viscoplastiques (choc à haute énergie ou essais transitoires courts), ainsi que le comportement acoustique des matériaux composites. Nous nous limiterons aux essais vibratoires et aux essais par propagation d’ondes, les essais transitoires longs (relaxation et retard à la déformation) rentrant dans la catégorie des essais quasi statiques. Enfin il faut souligner et insister sur le fait que les essais dynamiques (vibratoire ou propagation d’ondes) sont d’une extrême souplesse dans la détermination des propriétés d’élasticité des matériaux composites fortement anisotropes.

Cet article comporte deux parties :

• la première est consacrée aux essais aux basses et moyennes fréquences [AM 5 400] où les caractéristiques des matériaux composites sont obtenues par la connaissance vibratoire de structures simples ;

• la seconde partie « Essais dynamiques sur composites » – « Caractérisation aux hautes fréquences ») est axée sur les essais par propagation d’ondes dans les matériaux aux fréquences élevées et s’achève par une synthèse sur les essais dynamiques.