Modeling in the Viscoelastic Behavior of Polyimide Matrix at Elevated Temperature

L'utilisation de composites à matrice polymère (CMPs) s'est grandement répandue dans l'industrie du transport au cours des dernières décennies. Ces matériaux offrent un rapport rigidité/masse supérieur à celui des métaux et permettent d'alléger les véhicules et d'augmenter leur efficacité énergétique. Pour ces raisons, les principales compagnies aéronautiques et aérospatiales ont commencé à utiliser les CMPs dans des applications structurelles telles que les ailes, le fuselage et même les moteurs d'avion. L'utilisation des CMPs dans des applications telles que les moteurs d'avions nécessitent des matériaux capable de résister à des conditions d'utilisation extrêmes, entre autres des températures élevées, ainsi que des chargements mécaniques importants et un environnement oxydant. Dans de telles conditions, la matrice polymère est susceptible de posséder un comportement viscoélastique dépendant de son chargement et de la température. De plus, à proximité des moteurs, la combinaison des hautes températures et de l'environnement accélère les vieillissements physiques et chimiques. Tous ces paramètres doivent être pris en considération afin de pouvoir prédire le comportement du matériau tout au long de son utilisation. Le principal objectif de cette thèse était d'étudier le comportement viscoélastique d'une telle matrice et de développer une loi de comportement capable de tenir compte de tout type de conditions d'utilisation. Ce modèle devait ensuite être implémenté dans un logiciel commercial d'éléments finis tel que ABAQUS ou ANSYS. Premièrement, le vieillissement chimique de la matrice à la température d'utilisation a été étudié. À cette fin, une analyse thermogravimétrique fut réalisée sur des échantillons de poudre dans une atmosphère d'air. Deux types de tests furent menés à bien : i) des tests cinétiques durant lesquels la poudre est chauffée à un rythme constant jusqu'à sa sublimation complète ; ii) des test isothermes durant lesquels les échantillons sont maintenus à une température unique pendant 24 heures. Le premier type de tests fut utilisé pour développer un modèle de dégradation reproduisant avec grande précision les résultats expérimentaux. La prédiction des résultats des essais isothermes a rencontré beaucoup moins de succès, en particulier pour les basses températures. À ces températures, une phase d'oxydation précède la phase de dégradation chimique. Or le modèle développé est incapable de représenter ce phénomène. D'autres essais de dégradation isothermes furent conduits sur des échantillons de traction plutôt que sur de la poudre. Ces tests furent menés à la température de service, pour des périodes de temps bien supérieures. Les masses, volumes et propriétés mécaniques furent mesurés après 1, 4, 9 et 17 mois. Les résultats ont montré qu'après 17 mois, la matrice avait perdue près de 5% de sa masse et jusqu'à 19%, 30% et 10% de son module d'Young, contrainte à la rupture et déformation à la rupture, respectivement. La seconde étape a consisté à étudier le comportement viscoélastique de la matrice dans diverses conditions d'utilisation afin de développer une loi de comportement. Cette loi fut développée à partir du travail accompli par Schapery en 1964, basé sur les principes de la Thermodynamique des Procédés Irréversibles. L'avantage principal des lois de comportement de type Schapery réside dans la prise en charge des effets des différents paramètres, tels que les contraintes, la température ou le vieillissement physique, par des fonctions nonlinéaires explicites. Des échantillons de traction du matériau furent testés à la température de service.