Étude de l'influence de défauts sur les propriétés mécaniques de matériaux composites fabriqués par le procédé de placement de fibres

Les gaps et overlaps, défauts provoqués par le procédé de placement de fibres automatisé, ont un effet peu connu sur les propriétés mécaniques des matériaux composites. La réponse à l'impact et la tenue en compression du matériau sont susceptibles d'être affectées par ces défauts. Ce mémoire présente l'étude de l'effet de ces défauts sur les propriétés à l'impact (ASTM D7136), en compression après impact (ASTM D7137) et en open hole compression (ASTM D6484) d'un laminé quasi-isotrope carbone/époxy (G40-800/5276-1). Les défauts étudiés sont « critiques » car ils sont placés dans tous les plis de même orientation du laminé et superposés les uns au dessus des autres. Dans un premier temps nous avons réalisé des tests de open hole compression sur des éprouvettes contenant des défauts. 7 configurations de défauts, des gaps et des overlaps placés dans le sens de la compression ou perpendiculairement à la compression, ont été comparées aux échantillons sans défauts. Les résultats de ces tests, comparés à une modélisation analytique, montrent que les défauts placés dans la direction de la compression ne provoquent pas de concentrations de contraintes à l'origine de la rupture des éprouvettes. L'effet des défauts sur la résistance en compression du matériau est faible et prévisible. Les défauts placés à 90° par rapport au chargement provoquent une plus forte réduction des propriétés en compression du matériau, due à l'effet de fiber waviness. Cependant, des observations au microscope électronique ont montré que le fiber waviness touche principalement les plis adjacents aux défauts (+/-45°) et non les plis à 0°, porteurs de la plupart de la charge, ce qui explique que la diminution de résistance reste relativement faible. Nous avons ensuite réalisé des tests d'impact et de compression après impact. En plus des données directes des tests d'impact (force de contact de l'impacteur et énergie absorbée au cours de l'impact), nous avons effectué des mesures à l'aide d'un scanner à ultrasons (C-scan) et des observations au microscope électronique qui nous ont permis de déterminer les dommages provoqués par l'impact sur le laminé. Dans un premier temps nous avons étudié les modes d'endommagement du laminé en fonction de l'énergie d'impact. Pour les plus faibles énergies d'impact le laminé ne présente aucun dommage. Ensuite, lorsque l'énergie augmente, des fissurations de la matrice apparaissent suivies des délaminations, puis des première ruptures de fibres. Le dommage s'étend alors dans les plis du laminé opposés au point d'impact.