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RÉSUMÉ
Les propriétés mécaniques et physiques des matériaux composites sont fonction non seulement de leurs constituants de base, mais aussi de la qualité de la liaison entre renfort et matrice. Cet article tente d’illustrer les conséquences d’une modification de cette interface sur les caractéristiques des composites industriels. Ainsi, sont passés en revue le comportement mécanique instantané et à long terme, le comportement au vieillissement en milieux hostiles, la tenue au feu et la biodégradabilité. Des exemples variés sont utilisés pour illustrer ces multiples variations de comportement.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Anne BERGERET : Docteur Ingénieur, Maître-Assistant à l’École des Mines d’Alès - Responsable de l’équipe Formulation des Matériaux du Centre des Matériaux de Grande Diffusion de l’École des Mines d’Alès
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Patricia KRAWCZAK : Professeur à l’École des Mines de Douai - Responsable du Département Technologie des Polymères et Composites de l’École des Mines de Douai
INTRODUCTION
Les deux premières parties de ce dossier se sont attachées à définir et mettre en évidence l’importance pratique de la liaison renfort/matrice au sein des matériaux composites, puis à présenter les différentes méthodes expérimentales de caractérisation et approches théoriques de modélisation de cette zone interfaciale (ou interphase). L’objectif de cette troisième partie est, quant à lui, d’illustrer l’influence de la liaison renfort/matrice sur le comportement de composites industriels. Les conséquences d’une modification de l’interface sur le comportement mécanique instantané et à long terme (fatigue dynamique, fluage, stress-cracking), le vieillissement (notamment en milieux hostiles), mais aussi la tenue au feu ou encore la biodégradabilité, sont mises en évidence sur la base d’exemples variés (résultats expérimentaux obtenus sur éprouvettes mais aussi sur pièces industrielles, selon les cas pour des composites à matrices thermoplastiques ou thermodurcissables, renforcées de charges ou de fibres de natures diverses, soit coupées, soit continues, éventuellement recyclées). Les références bibliographiques sont reportées dans la partie .
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3. Comportement mécanique à long terme
L’expérience montre que la qualité de l’interface renfort/matrice (par exemple la nature du traitement de surface ou de l’ensimage des fibres) a une influence exacerbée sur le comportement à long terme sous chargement mécanique permanent (statique ou dynamique, seul ou couplé à des sollicitations environnementales), très souvent nettement plus marquée que sur le comportement mécanique instantané, et ce, quel que soit le système renfort/matrice considéré.
pour plus d’information sur la caractérisation du comportement mécanique à long terme, le lecteur pourra se reporter aux articles Essais mécaniques des plastiques : Caractéristiques à long terme et ténacité , Essais des plastiques renforcés , Essais dynamiques sur composites et .
3.1 Fatigue dynamique
Les informations relatives à l’influence de l’interface sur les performances en fatigue dynamique des composites sont relativement peu répandues dans la littérature scientifique et technique, et la majorité des données disponibles concerne les matrices thermodurcissables renforcées de fibres continues, essentiellement en carbone [164] [165] [166] ou verre [167] [157] [168] [169] [170]. Il s’avère en général qu’une amélioration de la qualité de la liaison interfaciale conduit à une augmentation des performances mécaniques en fatigue.
Ainsi, dans le cas de composites orthogonaux [0˚/90˚] en carbone/époxy, on peut constater un décalage de la courbe de durée de vie en fatigue dynamique (dite courbe de Wöhler ou courbe S-N), donnant la contrainte appliquée (normalisée par rapport à la résistance ultime) en fonction du nombre de cycles à défaillance, vers la droite avec une légère diminution de la pente de la courbe lorsque le niveau de traitement de surface de la fibre est accentué [164]. Si l’on raisonne en valeur absolue, on peut noter toutefois des inversions de positions relatives entre résistance en fatigue aux temps longs et aux temps courts [164] [165]. C’est ce qui est aussi illustré figure 12 sur composites unidirectionnels carbone/époxy pour quatre fibres de carbone ayant subi différents traitements chimiques de surface qui viennent certes améliorer la résistance interfaciale, mais sans engendrer pour autant systématiquement d’augmentation de la résistance macroscopique du composite...
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