Vieillissement des composites à matrice organique - Outils de modélisation

L'emploi de matériaux composites à matrice organique (CMO) pour la réalisation de structures aéronautiques permet un gain de masse entre 25 % et 30 % par rapport à des solutions plus classiques (alliages d'aluminium) ; cependant, aujourd'hui, dans l'aviation civile, la masse de structures composites ne représente que 20 % environ de la masse totale. En effet, ces matériaux ont de très bonnes propriétés spécifiques, résistance et rigidité, et une exceptionnelle résistance en fatigue dans des conditions environnementales 'standard', mais leurs performances se dégradent en présence d'environnements agressifs, suite à l'apparition de phénomènes de vieillissement. Pour ces raisons, l'intégration des CMO dans des structures confrontées à des environnements agressifs demeure difficile car le problème de leur durabilité se pose. Le vieillissement des CMO résulte de l'action combinée de la température, de l'humidité, et de la pression de l'environnement gazeux, mais aussi des conditions de leur mise en œuvre (type de procédé, cycle de cuisson induisant des contraintes résiduelles) et de la structure du matériau ; il correspond à une évolution souvent irréversible des propriétés du matériau et son étude nécessite des approches complexes.

Par exemple, les pièces structurales d'un futur avion supersonique (envisagé pour l'horizon 2020-2030) seront soumises à des sollicitations hygro-thermo-mécaniques cycliques assez importantes : les phénomènes de désorption d'humidité à hautes températures et les successifs passages à basses températures peuvent favoriser l'amorçage et la propagation de l'endommagement. Dans les premiers étages de turboréacteurs (structures 'tièdes'), les températures en jeu sont de l'ordre de 120 °C-190 °C et la présence de l'oxygène dans le milieu environnant induit des processus de thermo-oxydation des matrices organiques conduisant à de sévères phénomènes de dégradation et une diminution significative de la durée de vie.

La maîtrise des phénomènes de dégradation associés à ces conditions d'utilisation nécessite la mise en place d'approches multiphysiques et multi-échelles, à la fois expérimentales et théoriques, et soulève des questions scientifiques, outre que technologiques, de grande ampleur et complexité.

Cet article se focalise sur la durabilité et le vieillissement de matériaux composites pour applications aéronautiques, dans le but de présenter des méthodologies de caractérisation et de modélisation à la fois simples et pertinentes, immédiatement exploitables pour la compréhension des phénomènes physiques, l'identification, la simulation et l'optimisation de cas réels. Dans un premier temps sont présentés le contexte, une synthèse bibliographique concernant les phénomènes de vieillissement qui intéressent les matériaux composites à matrice organique ainsi qu'une revue des principaux outils de modélisation existants pour leur prédiction et interprétation. Vient ensuite le cadre mécanique/thermodynamique dans lequel la modélisation du vieillissement des matériaux composites a été développée pour permettre l'interprétation des observations schématiquement décrites et aborder leur simulation. L'objet de cette partie n'est pas l'exhaustivité mais la présentation de l'outil conceptuel commun aux modèles développés.

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