Mechanical Behavior of a Triaxially Braided Textile Composite at High Temperature

L'utilisation de composites à matrice polymère (CMP) dans l'industrie aéronautique est aujourd'hui une réalité incontournable, tel qu'illustré par les matériaux utilisés dans le Boeing 787 ou le C-series de Bombardier. Ces matériaux, qui possèdent un rapport de rigidité/masse avantageux ainsi qu'une grande flexibilité de propriétés, représentent d'excellents candidats pour des applications de haute performance. En particulier, les composites textiles offrent une grande diversité mécanique résultant du choix de matériau pour les fibres et la matrice, ainsi que de l'agencement de l'architecture textile. Cependant, les CMP sont habituellement restreints à des applications à température ambiante, à cause des faibles propriétés mécaniques de la matrice à haute température. Le développement de matrices polymère possédant une meilleure résistance à la température crée de nouvelles opportunités pour les CMP, notamment pour les moteurs d'avions. Cependant, le comportement mécanique de la matrice varie en fonction de la température et du temps. De ce fait, les CMP peuvent exhiber un comportement viscoélastique à haute température et être sujets au vieillissement physique et chimique en présence d'un environnement oxydant. Les interactions entre le comportement de la matrice et l'architecture du composite textile doivent être analysés avant de concevoir des pièces avec ces matériaux. L'objectif principal de cette thèse était de comprendre l'influence de la température, de la viscoélasticité et du vieillissement sur les propriétés mécaniques d'un composite textile tressé. Le matériau étudié est un composite tressé carbone/MVK10 dont les torons sont orientés à 0°/±60°. La première étape consistait à développer un cadre d'homogénéisation analytique et numérique afin de prédire le comportement viscoélastique de textiles tissés et tressés. Des simulations ont été réalisées pour plusieurs fractions volumiques et rapports de contraste, en utilisant le modèle numérique comme base de vérification pour les modèles analytiques. L'étude a démontré que le modèle Mori-Tanaka tenant compte de l'ondulation des torons était le plus approprié pour évaluer les propriétés de composites textiles viscoélastiques. Lors de la deuxième étape, l'influence de la température sur l'endommagement du textile tressé carbone/MVK a été étudiée dans deux directions afin de tenir compte de l'anisotropie du matériau. Une série de tests de traction fut réalisée sur des échantillons de composite à température ambiante et à température de service. Une technique de réplication fut utilisée afin de surveiller l'évolution des fissures à la surface du matériau. Par la suite, la distribution des contraintes dans les torons a été évaluée à l'aide de modèles analytiques et numériques. Une nouvelle approche de maillage a été utilisée pour obtenir un Volume Élémentaire Représentatif de la structure. L'étude a permis de réaliser qu'à haute température, les propriétés élastiques transverses et de cisaillement des torons diminuent, engendrant une redistribution des contraintes au sein de l'architecture textile. Cette redistribution affecte les modes de rupture du composite ainsi que la progression de l'endommagement. L'étude a aussi montré le potentiel des modèles analytiques et numériques à expliquer les modes de ruptures au sein de l'architecture textile.

Abstract

Polymer Matrix Composite Materials (PMCMs) have gained increasing attention from the aerospace industry over the past several years, as illustrated by their increased use in aircraft, like the Boeing Dreamliner or the Bombardier C-series. Their high strength to weight ratio, combined with the possibility to tailor their properties, provides great opportunities for the replacement of traditional materials, such as steel and aluminum. Textile composites can yield a broad range of mechanical properties, depending on matrix and fibres properties, fibres orientation and distribution within the composite, and the yarns volume fraction. In particular, carbon fibres provide high tensile modulus and strength, when compared to other reinforcing fibres. The yarns interlacing provides additional impact resistance. However, the use of these materials is usually restricted to low temperature applications due to the matrix properties degradation with temperature. The development of new temperature resilient polyimide matrices paved the way for new applications for PMCMs, especially in the gas turbine industry. In high temperature oxidative environments, the matrix properties degradation can significantly affect the composite's overall mechanical behaviour, even if the fibres can safely withstand much higher temperatures. Of particular interest are structural components exposed to temperatures of up to 300°C under permanent regimes. The literature has shown that PMCMs behaviour at elevated temperatures depends on the reinforcement specific architecture as well as the matrix' thermal stability. The work presented in this thesis aimed at understanding the influence of viscoelasticity, temperature and aging on the mechanical behaviour of a textile composite using experimental, analytical and numerical tools. The studied material was a triaxially braided composite with fibres in the 0°/±60° directions. The yarns were made of carbon fibres, embedded in an MVK10 temperature resistant polyimide matrix. The first step consisted in developing analytical and numerical frameworks to predict viscoelastic behaviour in textile composites. Simulations were performed for both braided and woven textile architectures, at different stiffness contrasts and yarns volume fractions. The analytical framework accuracy was verified with the help of the numerical simulations. An important finding of this study was that the analytical framework, combined with the Mori-Tanaka model, leads to relatively accurate predictions for both the permanent and transient parts. Therefore, the authors believe that the Mori-Tanaka model with an adjusted aspect ratio to take into account yarn curvature is reliable for predicting viscoelastic behaviour in textile composites. The textile composite that was studied in this project did not display viscoelastic behaviour, due to the high yarn volume fraction. However, the framework remains relevant for higher temperature applications or lower yarn volume fractions. The second step was to investigate the temperature effect on the tensile behavior of the carbon/MVK10 triaxially braided composite material studied in this project. To achieve this goal, a series of room and high temperature tensile tests on both matrix and composite samples were performed.