Academic literature on the topic 'Matériaux hybrides – Contraintes (mécanique) – Détérioration'

Ce travail de thèse a été réalisé dans un contexte de valorisation des matériaux composites à base de nanocharges. La connaissance du comportement mécanique des nanocomposites dopés par des nanocharges soumis à des sollicitations dynamiques sévères est une donnée importante pour les concepteurs des structures composites dédiées aux applications civiles et militaires. Ce comportement doit être caractérisé dans un large domaine de déformation ; pour des vitesses de déformation pouvant atteindre 10⁵s⁻¹. Une attention particulière est portée au système des barres d’Hopkinson (SHPB) en raison de son utilisation fréquente dans une telle gamme de vitesses de déformation qui correspond à la gamme de vitesses de la plupart des applications industrielles. Dans ce contexte, nous avons mené dans un premier temps une étude centrée sur l’effet des nanocharges sur le comportement dynamique et la cinétique de l’endommagement d’un composite de référence à base de fibres de carbone noyées dans une matrice époxy. Nous avons opté pour le choix de deux types de nanocharges présentant une compositions chimiques pareilles (basé sur le carbone pur) mais deux géométries différentes (quasi-1D pour les nanotubes de carbone (NTC) et 2D pour les nanofeuillets de graphène (GNP)). On a préparé les deux séries de nanocomposites NTC et GNP dans les mêmes conditions tout en utilisant des fractions massiques communes (0.5%, 1% et 2%) pour pouvoir mener une étude comparative concernant les deux systèmes. Une campagne d’essais de compression dynamique, hors-plan (OP) et dans le plan (IP) et, ainsi qu’une étude numérique ont été menées. Il a été démontré que le comportement dynamique et la cinétique d’endommagement des matériaux sont très sensibles à la vitesse de déformation et à la direction de sollicitation. Les résultats de ces essais nous ont aussi permis d’appréhender l’influence de l’ajout des nanocharges sur la réponse des matériaux. Le pourcentage de 1% GNP montre des performances optimales en rigidité, contrainte maximale et résistance à l’endommagement. Toutefois, les nanocomposites peuvent être très sensibles aux conditions environnementales, en particulier au vieillissement hygrothermique qui peut réduire leurs performances mécaniques. De ce fait, l’effet du vieillissement hygrothermique (60°C/80% HR) sur la durée de vie des nanocomposites est alors étudié expérimentalement (chargement dans le plan). Des baisses de différentes propriétés mécaniques en fonction du temps (15, 40 et 100 jours) et de la teneur en eau absorbée sont mises en évidence pour chaque fraction massique. Cependant, il a été démontré que l’introduction de nanocharges, sauf dans le cas 0.5% NTC, entraine une dégradation plus importante du composite de référence
This thesis work was carried out in a context of valorization of composite materials based on nanofillers. The knowledge of the mechanical behavior of nanocomposites doped by nanofillers submitted to high dynamic loading is an important data for the designers of composite structures dedicated to civil and military applications. This behavior must be characterized in a wide range of deformation; for strain rates in the range of 10² to 10⁵s⁻¹. Particular attention is devoted to the Hopkinson pressure bar system (SHPB) because of its frequent use in such a wide range of deformation which corresponds to the strain rate deformation range of most industrial applications. In this context, we first conducted a study focused on the effect of nanofillers on the dynamic behavior and damage kinetics of a carbon/epoxy composite. We have chosen two types of nanofillers with similar chemical compositions (based on pure carbon) but two different geometries (quasi-1D for carbon nanotubes (CNT) and 2D for graphene nanoplatelets (GNP). The two series of nanocomposites CNT and GNP were prepared under the same conditions while using common mass fractions (0.5%, 1% and 2%) in order to conduct a comparative study of the two nanocomposite systems. A dynamic compression test (in-plane (IP) and out-of-plane (OP)) and a numerical study were conducted. It has been shown that the dynamic behavior and damage kinetics of the materials are very sensitive to the strain rate and the direction of solicitation. The results of these tests also allowed us to understand the influence of the addition of nanofillers on the response of the materials. The percentage of 1% GNP shows optimal performances in stiffness, maximum stress and resistance to damage. However, nanocomposites can be very sensitive to environmental conditions, in particular to hygrothermal aging that can reduce the mechanical performances. Therefore, the effect of hygrothermal aging (60°C/80%RH) on the lifetime of nanocomposites is studied experimentally (in-plane loading). Decreases of different mechanical properties as a function of time (15, 40 and 100 days) and absorbed water content are highlighted for each mass fraction. However, it was shown that the introduction of nanofillers, except in the case of 0.5% CNT, leads to a more significant degradation of the reference composite

Les nouvelles formulations de peintures marines anticorrosion sans solvant, respectueuses des normes environnementales récentes, doivent être étudiées et comparées aux peintures classiques « avec solvant » dans le but de déterminer leur performance et leur durée de vie. Si les principaux facteurs de dégradation des polymères sont connus (l’eau, la température, les sollicitations mécaniques et la lumière), les tests de vieillissement accéléré, utilisés pour évaluer la durée de vie des peintures marines n’intègrent jamais réellement l’ensemble de ces paramètres, ni leur hiérarchie, en particulier l’aspect contrainte mécanique que l’on rencontre dans le cas des structures métalliques en zone de marnage. Dans notre travail, nous avons suivi le vieillissement des peintures sous forme de films libres et de films déposés sur un substrat acier en milieu naturel et en eau de mer synthétique (solution NaCl 3%), pour différentes températures et différentes contraintes mécaniques visco-élastiques appliquées. La dégradation des peintures est caractérisée par des modifications de la température de transition vitreuse et des propriétés mécaniques qui font suite à une prise en eau que l’on peut étudier en associant des techniques de spectroscopie d’impédance électrochimique et de gravimétrie. Notre étude démontre que la prise en eau est un phénomène diffusionnel thermiquement activé, sensible à un état de contrainte. Ce dernier peut conduire à des phénomènes antagonistes favorisant ou non la diffusion. Cet aspect a été interprété dans un cadre thermodynamique en termes de réarrangements de chaînes du polymère affectant le nombre de chemins de diffusion possibles pour les molécules d’eau et la barrière d’énergie associée à ce déplacement. Ces deux mécanismes sont très dépendants de la nature de la peinture. De plus, un phénomène de désorption d’espèces organiques et minérales, en compétition avec l’absorption d’eau a été mis en évidence. Par ailleurs, la variation de température en milieu naturel, engendrant des contraintes internes dans les peintures, semble affecter de façon significative les cinétiques de prise en eau ainsi que la dégradation des peintures. Finalement, des synergies entre les facteurs de vieillissement ont pu être établies : il apparaît que le couplage des contraintes entraîne des cinétiques de dégradation supérieures à celle obtenue par la somme des effets individuels
New formulations of marine organic coatings, with or without solvent, abiding by recent environmental standards, must be studied and compared to classical solvent-borne organic coatings in order to determine their performance and durability. If the main degradation factors of polymers are known (water, temperature, mechanical solicitations and light), the accelerated ageing tests used to assess the organic coatings lifetime do not take into account of these parameters together or their hierarchical effects. This is particularly true when a mechanical stress is applied onto a metallic structure in tidal zone. In this work, we studied the ageing of organic coatings as free films and as attached films onto a steel substrate in natural and synthetic seawater (3% NaCl solution) for different temperatures and different mechanical visco-elastic mechanical stresses. The coating degradation was analyzed by monitoring the glass transition temperature evolution and the mechanical properties modifications after a water uptake that was measured using electrochemical impedance spectroscopy and gravimetry techniques. Our results show that the water uptake is a thermally activated diffusionnal phenomenon, sensitive to a stress state. This latter can lead to antagonist phenomena which favour or not diffusion. A thermodynamic interpretation was proposed in terms of polymer chains rearrangements affecting the number of possible water distribution paths and the energy barrier associated with this move. These two mechanisms are very dependent on the nature of the coating. Moreover, a desorption phenomenon of organic and mineral species, in competition with the water absorption, was identified. Besides, the temperature variation in natural environment, which implies internal stresses in organic coatings, seems to affect significantly the kinetics of water uptake and the degradation of coatings. Finally, synergies between the ageing factors were established: the association of stress leads to a higher degradation kinetic than the sum of individual effects

L'objectif de ce travail est d'apporter une aide à la décision quant au choix d'un matériau composite à renfort tissé hybride et non hybride pour une application où les effets du vieillissement conditionnent la décision. Cet objectif nécessite à la fois une approche expérimentale et théorique. L'approche expérimentale est menée, à partir d'essais standards (traction, flexion et torsion), par une caractérisation des propriétés élastiques et ultimes de chaque constituant (résine et unidirectionnel) et de chaque composite à renfort tissé. L'identification des mécanismes d'endommagement est ensuite obtenue sur la base des essais précédents puis d'essais de délaminage (mode I, II et mixte (I+II)) par l'utilisation d'une méthodologie associant les techniques d'émissions acoustiques et de microscopie. L'analyse met en évidence l'influence du vieillissement des résines, des fibres et des interfaces sur les modes de rupture du composite pouvant ainsi être très différents avant et après vieillissement. La seconde partie est consacrée à la modélisation du comportement mécanique des composites à armure hybride ou non dans les domaines élastiques et jusqu'à rupture. A partir d'une décomposition de la cellule de base, l'application de la théorie du stratifié permet de déterminer les propriétés élastiques 3D du composite en fonction des constituants, de l'armure, du titre des mèches et des caractéristiques géométriques puis de prédire les ruptures locales et finales du composite après prise en compte des endommagements successifs des constituants (résine et mèches). Le modèle aboutit à un logiciel de calcul nommé Mesotex permettant d'analyser aisément l'influence des paramètres structuraux (titre des mèches, armure, quantité de résine et hybridation) sur les propriétés élastiques et à rupture du composite. L'étude paramétrique conduit à faciliter le choix d'un matériau et d'atteindre un compromis coût/masse/performance optimisé.

Initialement conçues pour les liaisons intercontinentales, les fibres ont vu leur domaine d'utilisation s'étendre aux réseaux de distribution locale et ce, en raison d'une demande croissante, toujours plus gourmande en débit d'informations. En pénétrant chez l'abonné la fibre se trouve exposée à des contraintes plus sévères du fait des sollicitations mécaniques et des variations climatiques. La compréhension des mécanismes de rupture et de vieillissement de la fibre optique est donc essentielle afin d'assurer la fiabilité du réseau. L'objet de cette thèse est d'étudier les mécanismes de rupture de la fibre optique de silice et de mieux comprendre les phénomènes physico-chimiques liés au vieillissement. On pourra ainsi mieux maîtriser l'évolution dans le temps des propriétés mécaniques de la fibre.

Une technique conforme et convergente d'éléments finis singuliers est présentée pour le calcul des facteurs d'intensité de contrainte dans les structures fissurées avec matériaux isotopes, anisotropes ou composites. Elle est basée sur la formulation des éléments finis hybrides métis de déplacement. Selon le type de chargement appliqué, nous avons traité des plaques fissurées en état de membrane ou en flexion. Les solutions asymptotiques de champ singulier de contraintes au voisinage du fond de la fissure sont introduites dans un élément singulier par la discrétisation du champ de contraintes. Nous garderons également dans les éléments singuliers, la partie régulière du champ des contraintes afin qu'ils puissent avoir des dimensions de l'ordre de la longueur de la fissure. Afin d'assurer la convergence de l'élément, il est nécessaire d'introduire non seulement la singularité des contraintes mais également celle des déplacements/déformations dans les éléments singuliers. La singularité de déplacement/déformation est obtenue par celle de la matrice jacobienne de l'élément isoparamétrique, en positionnant les nœuds d'interface au quart des côtés des éléments comme dans l'élément de Barsoum. Ces techniques permettent de déduire diverses méthodes de calcul des facteurs d'intensité de contraintes KM : 1) MCI : les KM peuvent être directement obtenus par résolution de l'équation structurale du système. 2) MCII : Les KM peuvent être indirectement obtenus par chaque élément singulier après la solution de l'équation structurales du système. 3) MD : les KM peuvent être indirectement obtenus en fonction de valeurs des déplacements des nœuds de l'élément singulier situés sur les lèvres de la fissure. Pour la plaque fissurée en flexion, l'apparition de nature tridimensionnelle de KM et la non linéarité de fermeture de la fissure dans la zone de compression, nous conduisent à combiner les éléments 3-D hybride métis singuliers et la méthode mixte du problème de contact. De nombreux exemples sont traités numériquement pour l'évaluation de la méthode présentée. Pour le problème de plaque fissurée en état de membrane, les éléments HSM ont montré une haute convergence des facteurs d'intensité de contraintes, tant pour les matériaux isotropes qu'anisotropes. Pour le problème de plaque fissurée en flexion, les résultats présentés sont en bon accord avec les solutions théoriques de Hartranft et Sih, malgré un maillage grossier. Les autres tests numériques (3-D, plaque composite stratifiée, fermeture de fissure) ont également prouvé que les éléments présentés assurent une analyse performante de la structure fissurée ou non.

L’utilisation des matériaux composites est en plein essor depuis quelques années, notamment dans le secteur aéronautique. C’est dans le cadre d’un partenariat avec Eurocopter que s’inscrivent ces travaux de thèse visant à analyser expérimentalement et à modéliser le comportement jusqu’à rupture de structures composites stratifiées sous chargements statique et de fatigue. Pour décrire le comportement mécanique des matériaux composites, plusieurs mécanismes de dégradation sont à considérer. Un modèle, basé sur la Mécanique de l’Endommagement, a récemment été développé au LMA. Il traduit les effets des endommagements transverse et de cisaillement, se caractérisant par la formation de petites fissures évoluant le long des fibres. Ce modèle a été intégré dans le code de calcul Abaqus/Standard afin d’étudier le comportement de structures stratifiées soumises à un chargement statique ou de fatigue. Les comparaisons essais / simulation ayant mis en évidence le fait que les critères de rupture classiques ne fonctionnent pas si le champ de déformation n’est pas homogène, une approche non locale a été développé. Basée sur un Volume Caractéristique de Rupture, elle permet de prendre en compte l’effet des concentrations de contraintes pour décrire la rupture de structures stratifiées. Une confrontation expérimentale a permis de valider le modèle de comportement associé à l’approche non locale pour divers matériaux, stratifiés et géométries pour des cas de chargements statiques. L’application aux cas de chargements de fatigue est encore à l’étude. Toutefois, les premières comparaisons entre les résultats de simulations et les essais sont encourageants
Recent developments in the aeronautics industry have accelerated interest in the use of composites as primary structural materials. This project is based on a collaboration with Eurocopter. The objectives are to experimentally analyse and model the behaviour until failure of laminated composite structures under static and fatigue loadings. To describe the mechanical behaviour of composite materials, several damage mechanisms have to be considered. A model, based on the Continuum Damage Mechanics and recently developed at the LMA, takes into account the effects of transverse and shear damages characterized by the creation of small cracks which run along the fibres. This model was integrated into Abaqus/Standard in order to study the behaviour of laminated structures under static and fatigue loadings. The comparisons between experimental data and numerical simulations have proved that conventional failure criteria do not work if the strain field is inhomogeneous. A non local approach, based on the definition of a Fracture Characteristic Volume, has been developed. This method takes into account the effects of stress concentrations on the failure of laminated structures. Comparisons with experimental data allows to valid thebehaviour model associated to the non local approach for various materials, laminates and geometries in the case of static loading conditions. The application in the case of fatigue loading is in progress and first results are promising

Cette étude porte sur le comportement thermomécanique d'un matériau agrégataire quasi-compact. Elle a pour objectif le développement d'un modèle de comportement répondant aux exigences requises pour une exploitation industrielle. Les réponses expérimentales mettnt en évidence un comportement comparable à celui des bétons, à savoir le caractère asymétrique (différence entre traction et compression) ainsi qu'une sensibilité à l'endommagement et à la pression hydrostatique. Une différence importante avec le comportement du béton concerne le comportement réversible qui est ici viscoélastique. Les modèles existants pour les matériaux du même type que celui étudié ne sont pas appropriés pour décrire complètement le comportement constaté. Par conséquent, un protocole expérimental spécifique a été développé à cette occasion. Il est présenté ainsi que le modèle qui en découle. Ce dernier est construit à partir des réponses issues des essais de traction, de compression uni-axiale et de compression tri-axiale sous confinement hydrostatique. Le modèle est isotrope et n'inclut qu'un nombre limité de paramètres. La limite de plasticité est décrite au moyen d'un critère parabolique à écrouissage isotrope. La règle d'écoulement est non-associée et un endommagement scalaire complète le modèle. Le modèle a été implanté dans le code de calcul Abaqus/standard sous la forme d'une procédure en Fortram. Une extension en température vient compléter la modélisation du comportement du matériau. La validation du modèle est effectuée sur la base de comparaisons avec plusieurs essais homogènes et sur structures
This research is achieved in the general frame work of the study of the thermomechanical behaviour of a quasi-compact aggregate. It has for objective the development of a new behaviour model satisfying to the particular requirements for an industrial exploitation. The model is isotropic and includes only a limited number of parameters. The experimental response shows a behaviour material comparable to concrete, to know the following characteristics : viscoelastic, damageable and sensitive to the hydrostatic pressure. For such materials, existing models were generally developped within the framework of the dynamic and static behaviour. They are not appropriate to simulate completely the material behaviour researched. Consequently, a specific model and an experimental protocol are presented. The model is derived from the tensile tests, the compressive tests and the triaxial compresssion tests under hydrostatic containment. The plastic limit is described by the means of a parabolic criterion with isotropic hardening. The flow rule is non-associated ; an isotropic damage achieves the model. Then, the developed model is implanted in the code of calculation standard abaqus by means of a numeric integration dealed with the shape of a procedure in Fortram. An extension in temperature comes to complete the modelling of the material behaviour. The dependance in temperature of the model parameters is taken into account in the Fortram subroutine. The validation of the model is done on the basis of several homogeneous tests as well as tests on structures by comparisons data/simulation

Le dimensionnement des structures composites passe par des modèles numériques toujours plus complexes dont la qualité découle de la capacité à reproduire le comportement du matériau. Pour les composites stratifiés, le comportement en compression dans la direction des fibres s’avère complexe et reste encore mal identifié. Une des principales difficultés pour ce type de sollicitation est la partie expérimentale notamment à cause des effets de structure (flambage et concentrations de contraintes) qui précipitent la ruine des éprouvettes.C’est dans ce cadre que nous proposons une étude expérimentale comportant deux volets. Le premier s’intéresse à la mesure de la résistance en compression sur des éprouvettes saines à travers différents essais (compression pure sur tubes et sur plaques). Il est montré que le comportement jusqu'à rupture est bien identifié. Le second volet vise à montrer que l’endommagement (micro-fissuration de la résine) affecte significativement la résistance en compression sens fibre. Ces résultats permettront une meilleure compréhension de la rupture des stratifiés pour des chargements complexes
To design composite structures it is required to access materials properties and to understand mechanisms of failure for different types of load. Shear and tensile tests are quite easy to do. That is why ply properties are well identified for these types of load. Yet in the case of compression, experimental methods are complex and then the knowledge of materials properties remains poor.When the slenderness of the specimen is excessive in compression test, buckling will affect the failure. But when the coupon is smaller, stress concentration generates a failure in the clamped-end. Structural effects are here the reason of the failure. It is then not possible to conclude about the materials properties.That is why an experimental study is proposed. This work is divided in two main parts. The first one talk about the measure of the compressive strength on undamaged samples with different geometries. It is shown that the behavior up to failure is well identified. In a second part it is demonstrated that damage decreases significantly the compressive strength. These results will finally be apply to the global design of laminates for any type of load

Une étude sur la durabilité d'assemblages collés en milieu chaud et humide est proposée dans ce manuscrit. L'objectif a été de construire un outil numérique capable de prédire le comportement mécanique après vieillissement des assemblages collés en vue de leurs dimensionnements. A cette fin, une importante étude expérimentale a été menée sur un adhésif structural de type époxy chargé élastomère et des assemblages collés simple recouvrement acier/époxy/acier, destinés à des applications du secteur automobile. Les résultats de ces essais ont permis le développement d'un modèle de diffusion non linéaire physiquement motivé, capable de prédire la pénétration de l'eau dans l'adhésif pour une température donnée et les contraintes qui en résultent. Ces dernières ont été obtenues grâce à une loi de comportement thermohydromécanique couplée, développée spécialement pour l'adhésif structural. Toutes ces lois ont été intégrées dans un modèle éléments finis capable de simuler l'essai de traction/cisaillement sur l'assemblage avec ou sans vieillissement. L'impact du vieillissement sur la tenue de l'adhésif et/ou de l'interface dans l'assemblage a été discuté pour améliorer la compréhension des observations expérimentales.

L'objectif de cette étude a été d'améliorer la description du vieillissement des isolants organiques solides ou polymères sous contrainte électrique. De ce fait, une large étude bibliographique a été effectuée afin d'analyser, comparer et améliorer les scénarios de vieillissement des polymères isolants. Cette étude bibliographique a montré que, par souci de simplification, des paramètres pertinents ont été négligés dans la description du vieillissement électrique des polymères; à savoir leur structure hétérogène et la distribution de leurs propriétés. Cette étude présente une nouvelle approche sur le vieillissement des isolants organiques solides ayant pour premier objectif de prendre en compte la complexité de leur structure mise en évidence expérimentalement. Pour cela, le matériau a été assimilé à un ensemble de sites représentant des états énergétiques différents et donc des propriétés et une vitesse de vieillissement différentes selon chaque site. Les principaux paramètres en jeu au cours du processus de dégradation tels que la variation du volume spécifique, l'évolution de la rigidité diélectrique ainsi que la valeur locale du champ électrique ont été définis. L'expression du temps de retard de chacun des processus élémentaires de vieillissement en fonction de ces paramètres a été établie. Finalement une forme distribuée de ces temps de retard a été présentée. Notre approche phénoménologique est donc une approche multi-sites qui, complétée par une étude expérimentale, permettrait l'établissement d'une équation qui relierait le temps de vie de l'isolant aux différents paramètres en jeu tout en respectant leur distribution sur l'ensemble des sites au sein du polymère
The aim of this study is to improve the description of solid organic insulators or polymers ageing under electrical stress. With this objective in view, the different ageing scenarios existing in the literature were analyzed, compared and improved. This theoretical study showed that many parameters related to their heterogeneous structure and the distribution of their properties were neglected in order to simplify the modelling. This study presents a new approach in the description of solid organic insulators ageing by taking into consideration their experimentally demonstrated structural complexity. In this approach, the polymer material has been assimilated to a set of sites representing different energy states, thereby different properties as well as ageing rates depending on each site. The principal parameters involved during the ageing process, such as the specific volume variation, the dielectric strength evolution and the local value of the electrical field have been defined. The expression of the retardation time specific to each elementary ageing process has been established. Finally, a distributed form of those retardation times has been presented. Our "phenomenological" approach is thus a multi-sites one permitting, along with an experimental study, to establish an equation relating the life time of polymer electrical insulators to the different parameters at play, all along respecting their distribution over the entire set of sites within the polymer