Time-Dependent Damage in Woven-Ply Thermoplastic Composites Above Glass Transition Temperature

Dans les composites associant matrice organique et renfort fibreux, le couplage entre com-portements visqueux (viscoélasticité, viscoplasticité) et mécanismes d'endommagement est très peu étudié à l'échelle mésoscopique et se limite principalement à des analyses post-mortem. Pour des applications aéronautiques à haute température (e.g., nacelle de moteur d'avion), la problématique est encore plus complexe. Notamment au sein de stratifiés à matrice thermoplastique haute performance PPS renforcés par des tissus de fibres de car-bone. Ces matériaux sont caractérisés par des zones riches en matrice dont les comporte-ments visqueux sont amplifiés pour des températures d'utilisation en service (i.e., 120 °C) supérieures à la température de transition vitreuse de la matrice (environ 95 °C). La question fondamentale qui se pose alors est de comprendre comment mettre en évidence et quantifier l'endommagement d'origine visqueuse lorsque le comportement de stratifiés C/PPS est piloté par la réponse mécanique de la matrice. Pour apporter des réponses à cette prob-lématique, on peut évaluer : (1) l'influence de la viscosité de la matrice sur le comportement en rupture translaminaire - (2) le visco-endommagement lors de chargements de type fluage-recouvrement. Ces deux axes d'étude reposent notamment sur la mise au point de protocoles expérimentaux adaptés à des essais mécaniques à haute température. Ainsi, l'originalité de ces travaux est de combiner différentes techniques complémentaires (émission acoustique, réplique de bords, analyse fractographique, tomographie) qui permettent une analyse in-situ en temps réel des mécanismes d'endommagement qui coexistent et interagissent lors des différentes phases du chargement. En utilisant le protocole mis au point dans des conditions de température supérieure à la Tg du matériau, ces techniques apportent des informations pour quantifier et dissocier les différents comportements matériaux (viscoélasticité, viscoplasticité, endommagements) ainsi que des effets structures (rotation des fibres). Des analyses d'images basées sur des algorithmes de dilatation/érosion implémentées dans Matlab permettent d'évaluer la densité de fissuration (intra- et inter-torons) surfacique à partir des répliques de bords. A l'échelle macroscopique, la réponse thermomécanique du C/PPS est peu influencée par les comportements visqueux du C/PSS que ce soit pour des stratifiés quasi-isotrope (com-portement majoritairement piloté par les fibres à 0°) ou à plis orientés (comportement ma-joritairement piloté par la matrice PPS). Enfin, la rupture translaminaire ductile est caractérisée par l'évolution de l'énergie acoustique cumulée en fonction du taux de restitution d'énergie. L'instabilité de la rupture translaminaire ne permet pas d'évaluer l'influence des e˙ets visqueux sur la ténacité en mode I du matériau à l'initiation. Aux échelles micro- et mésoscopiques, les résultats obtenus montrent clairement le visco-endommagement au sein de stratifiés C/PPS à plis orientés sollicités en fluage à T > Tg. En mettant en oeuvre ce protocole, la pertinence/complémentarité démontrées de l'émission acoustique associée à la quantification de la densité de fissuration permettent d'envisager l'étude du couplage entre effets visqueux et endommagement au sein de stratifiés C/PPS soumis à des chargements à haute température. Cette problématique est essentielle du point de vue de la durabilité des structures composites dans un environnement moteur.

Abstract

In fiber-reinforced polymer matrix composite materials, the coupling between viscous behaviour (viscoelasticity, viscoplasticity) and damage mechanisms is very little studied at the mesoscopic scale and is mainly limited to port-mortem analyses. For high-temperature aero-nautical applications (e.g., aircraft engine nacelle), the problem is even more complex within high performance thermoplastic matrix laminates PPS (Polyphenylene Sulfide) reinforced with carbon fiber fabrics. Indeed, these materials are characterized by matrix-rich zones whose viscous behaviors are exacerbated for service temperatures (i.e., 120 °C) higher than the matrix glass transition temperature (about 95 °C). It is therfore necessary to develop specific experimental procedures to highlight and quantify the viscous damage when the behaviour of C/PPS laminates is driven by the mechanical response of the matrix. In order to provide answers to this problem, one can evaluate :(1) the influence of the matrix viscosity on the translaminar fracture behaviour - (2) the time-dependent damage during creep-type loading. These two lines of study are based on the development of experimental protocols adapted to high temperature mechanical testing. Thus, the originality of this work is to combine different complementary techniques (acoustic emission, edge replication, fractographic analysis, tomography) which allow in-situ and in real time analyses of the damage mechanisms that coexist and interact during the di˙erent loading phases. Using the protocol developed under conditions of temperature higher than the Tg of the material, these techniques provide information to quantify and dissociate the different material behaviours (viscoelasticity, viscoplasticity, damage) as well as structural effects (fibre rotation). Image analyses based on dilatation/erosion algorithms implemented in Matlab allow the evaluation of the surface cracking density (intra- and inter-strand) from edge replicas. On a macroscopic scale, the thermomechanical response of C/PPS is little influenced by the viscous behaviour of C/PSS, whether for quasi-isotropic laminates (behaviour mainly driven by 0° fibres) or with oriented plies (behaviour mainly driven by the PPS matrix). Finally, the ductile translaminar fracture is characterized by the evolution of the cumulative acoustic energy as a function of the energy restitution rate. The instability of the translaminar fracture does not allow the quantification of the influence of viscous effects on the mode I toughness of the material at initiation. At micro and mesoscopic scales, the results obtained clearly show time-dependent damage within oriented plies C/PPS laminates subjected to creep loadings at T > Tg.