Chapitre II: Matériaux de base, préparation des échantillons et techniques
II.6 Techniques de caractérisation expérimentales
II.6.10 Banc d'essais mécaniques Instron
Tests de traction
Parmi tous les essais mécaniques, l'essai de traction est certainement l'essai le plus fondamental. Il sert à déterminer les principales caractéristiques mécaniques telles que le module d'élasticité, le coefficient de Poisson, la limite d'élasticité, la résistance à la rupture, l'allongement à la rupture et le coefficient de striction. Dans la recherche on l'applique pour la caractérisation de nouveaux matériaux et dans l’industrie pour les contrôles périodiques
servant à surveiller la qualité des alliages, des polymères, des céramiques et des composites.
Ces essais de traction consistent à soumettre un échantillon de section rectangulaire à une déformation continue avec une vitesse constante et à enregistrer la contrainte résultante.
Figure II.12: La forme et les dimensions de l’éprouvette utilisée pour les tests de traction mécanique
Les tests ont été réalisés sur une machine de traction de type Instron 8821S suivant le nome NF EN ISO 527-2. La géométrie et les dimensions de l’éprouvette utilisée, sont données dans la Figure II.12.
Les résultats ont été enregistrés sous déplacement (∆l)-force (F) et transformés en déformation(ԑ)-contrainte (σ) en utilisant respectivement les équations suivantes:
Déformation de traction :
8 "
99 99&
∆:"99& :;"99&
Contrainte de traction : σ "MPa& A ?"@&
;"BBC&
Le modèle de Young a été calculé par régression linéaire des données de contrainte- déformation de la zone initiale en utilisant l’équation suivante:
E "MPa& σεE 5 σF
Avec ε1 = 0,005 mm/mm, ε2 = 0,025 mm/mm et σ1 et σ2 sont les valeurs
correspondantes à ε 1 et ε 2 dans la courbe contrainte (σ)-déformation(ε).
Les tests de traction mécaniques ont été effectués pour d’évaluer les propriétés de traction de nos systèmes nanocomposites, afin de déterminer l’influence d’addition des charges sur les propriétés en traction de la matrice vierge. Le module de Young, la résistance à la traction et l’allongement à la rupture ont été évalués en fonction de la fraction massique des charges dans toutes les séries de nanocomposites.
Tous les tests ont été effectués dans la température ambiante à différentes vitesses d’étirage : 10 mm/min pour les série PP-NFG, PEHD-NFG et PEHD-NTC et 5 mm/min pour les séries PVDF-NFG, PVDF-NFOG, PVDF-NTC/PVP.
Tests de flexion
La flexion trois points est un essai mécanique classique permettant la caractérisation du comportement d’un matériau. Pour certains matériaux, cet essai est appelé « essai transversal sur poutre » (transverse beam test). Il représente le cas d'une poutre posée sur deux appuis simples et soumise à une charge concentrée, appliquée au milieu de la poutre. En général, la flexion trois points sert à déterminer quelques caractéristiques mécaniques d’un matériau, telles que le module de flexion (d’élasticité), la résistance à la flexion.
Dans cette étude, les tests ont été réalisés sur la machine de traction Instron 8821S (la même machine utilisée pour les essais de traction) en utilisant la configuration trois points.
Figure II.13: La forme et les dimensions de l’éprouvette utilisée pour les tests de flexion trois point
Cet essai se caractérise par la simplicité du montage et de la géométrie d’échantillon. La Figure II.13 montre la géométrie et les dimensions de l’éprouvette utilisée. Lors du test, la partie supérieure est en compression et la partie inférieure est en traction.
Les résultats ont été enregistrés sous formes force (F) - flèche (∆l) et transformés en contrainte (σ)-déformation(ԑ) selon la norme ASTM D790.
Comme il est décrit dans la norme (ASTM D790), les tests de flexion doivent être arrêtés lorsque l’échantillon atteint une déformation en flexion maximale de 5 % ou lorsqu’il y a rupture. En général, dans le cas des thermoplastiques la résistance à la flexion peut être donnée en contrainte de flexion à une déformation de 5 %. Dans notre cas, la contrainte de flexion pour une déformation de 5 % a été extraite comme un point maximum.
La vitesse utilisée (R=2,55 mm/min) a été calculée par l’équation:
G HI6 E
Durant la mesure, les tests ont été arrêtés à une déflexion maximum au centre de 12,5 mm, qui a été déduit à partir de la déformation maximale de 5 % en utilisant l’équation suivante:
K 8I6E
La contrainte de flexion a été approximée à partir des valeurs de forces enregistrées par les mesures en utilisant l’équation suivante :
L/ 8I
E
6M ² 1 O 6"KI&E5 4 QIRQKIR.
La déformation de traction a été calculée à partir des valeurs de la déflexion maximale au centre de la poutre, enregistrées durant la mesure par l'équation suivante :
Finalement, le module de flexion (Ef) est le rapport de la contrainte à la déformation correspondante. Il a été calculé à partir de la pente de la droite linéaire de la zone initiale de la courbe force-déflexion, puis on a utilise l’équation suivante :
S/ I
T
4M T
Où, tous les paramètres qui apparaissent dans les équations utilisées sont définies comme suit : Z est une constante (doit être égale à 0,01mm/mm/min), D est la flèche maximale du centre de la poutre (12,5 mm), ε est la déformation ( a été fixée à 0,05 mm/mm), L est l’espace support (a été fixé à 49,5 mm), d est l’épaisseur de la poutre (1,6 mm), P est la force à un point donné sur les données force-déflexion (N), b est la largeur de la poutre testée ( 10 mm) et m est la pente de la tangente de la zone initiale de la ligne droite de la courbe force-déflexion (N/mm).
Les tests de flexion mécaniques ont été réalisés pour évaluer les propriétés mécaniques en termes de flexion de systèmes nanocomposites, afin de déterminer l’influence d’addition des charges sur les propriétés en flexion de la matrice vierge. Cependant, la seule série de nanocomposites qui a été caractérisée par ce test est de PVDF-NFG. Le module de flexion, la résistance à la flexion ont été évalués en fonction de la fraction massique de NFG.
II.7 Conclusion du chapitre
Dans ce chapitre nous avons décrit les principales caractéristiques des matériaux de base utilisées, d’une part, pour la préparation et la modification des nanocharges utilisées et, d’autre part, pour l’élaboration des échantillons nanocomposites. Les techniques utilisées pour la préparation de nanofeuillets d’oxyde de graphène et ceux de graphène, ainsi que celles utilisées pour la modification des NTC sont présentées. D’autant plus, les techniques et les conditions de mise en œuvre des échantillons nanocomposites sont aussi décrites en détail. Finalement, nous avons détaillé les différentes techniques de caractérisation utilisées dans cette étude avec les conditions de chaque test.
Références du chapitre
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