Caractérisation mécanique

V.4.1 Essai de compression

L’essai de compression permet de caractériser le comportement d’un matériau soumis à un écrasement entre deux plateaux. Cet essai est réalisé à l’aide d’une presse universelle Instron 5988. L’effort de compression et la distance entre plateaux sont enregistrés régulièrement, à une fréquence de 10 Hz (Figure 35).

Figure 35: Presse utilisée pour les essais de compression et de flexion (gauche : compression, droite : flexion)

Le principe de l’essai retenu dans le cadre de cette étude correspond à un essai à vitesse de déplacement imposée à chargement monotone. Aucun cycle de charge n’est donc imposé. Par contre, la décharge de l’échantillon en fin d’essai est enregistrée. La vitesse de déplacement au cours de l’essai est de 5 mm/min. Les mesures de la charge et de la hauteur de l’échantillon permettent de calculer la contrainte de compression appliquée et la déformation de l’échantillon (en référence à la hauteur initiale). Les courbes déformation - contrainte sont ainsi identifiées. La Figure 31 présente l’allure de telles courbes.

Figure 36: Courbes déformation (m/m) - contrainte (MPa) types

En présence d’une courbe présentant un pic marqué (Figure 36 a) la résistance à la compression Rc est alors prise égale à la valeur correspondant au pic. La déformation associée à cette résistance est également identifiée. Dans le cas d’une courbe plus monotone comme dans le cas de la Figure 36b, la résistance en compression est associée à la limite du comportement élastique, en accord avec les travaux de (Elfordy et al 2008), (Umurigirwa, 2005) et (Mounanga et al 2009). Le comportement d'un matériau est élastique lorsque l'histoire des sollicitations n'intervient pas sur la réponse et qu'à un état de contraintes correspond un unique état de déformations. La limite d'élasticité est la contrainte à partir de laquelle un matériau arrête de se déformer d'une manière élastique, réversible et commence donc à se déformer de manière irréversible. C'est la manifestation du comportement plastique et potentiellement compactant du matériau constitutif (Figure 37).

Figure 37: Courbes déformation-contrainte représentatives des comportements (a) élastique non-linéaire et (b) élastoplastique

La résistance en compression est donc identifiée sur les courbes en recherchant le point de plus grande variation de pente. La déformation associée est également notée.

En début d’essai, les courbes peuvent présenter des montées en résistance relativement lentes conduisant à une courbure positive des courbes. De tels enregistrements s’avèrent très pénalisants vis-à-vis de l’évaluation de la déformation au point de résistance en compression. L’exploitation de ce paramètre très variable d’un essai à l’autre sera donc compliquée. L’origine de ce phénomène est essentiellement liée à un contact imparfait entre l’échantillon et les plateaux de la presse en début d’essai.

Les courbes déformation-contrainte permettent également d’évaluer un module élastique apparent lors de la phase de mise en charge initiale. Ce module apparent sera assimilé à un module d’Young. Il est estimé à partir de la pente moyenne de la courbe identifiée dans le domaine élastique.

En fin d’essai, le déchargement de l’échantillon permet également d’identifier un module de retour élastique. La comparaison de ce module avec le module d’Young peut permettre de juger des effets d’endommagement ou de compaction de la matrice durant l’essai de compression.

Les échantillons utilisés sont prélevés par découpe dans les plaques initiales en s’assurant d’avoir des surfaces planes et lisses (Figure 38) et garantir ainsi l’application d’une sollicitation axiale homogène sur l’ensemble de la surface. Pour chaque formulation quatre composites de dimension 4×4×4 cm3 sont utilisés. L’essai est réalisé après stabilisation à 23°C, 50%HR en chambre climatique.

V.4.2 Résistance en traction

L’essai de flexion 3 points détermine l’aptitude à la déformation d’un échantillon placé sur deux appuis avec une application de l’effort à l’aide d’un indenteur placé à mi-distance. Les essais sont réalisés à l’aide d’une presse universelle Instron 5988 (Figure 30). Effort et déplacement de l’indenteur sont enregistrés régulièrement à une fréquence de 10 Hz. La vitesse de déplacement est imposée à 5mm/min.

La courbe d’évolution de l’effort en fonction du déplacement est identifiée pour chaque essai (Figure 39). Cette courbe présente un pic plus ou moins marqué. La partie post-pic est potentiellement très marquée.

Figure 39: Courbe type d’un essai de traction par flexion 3 points

La résistance en traction Rt est calculée à partir de l’effort au pic en utilisant l’équation suivante :

Rt = 3/2.F.L/(l.b²)

Où : F (N): effort au pic, L (mm): distance entre les appuis, l (mm): largeur de l’échantillon, b (mm): hauteur de l’échantillon.

La pente initiale de la courbe peut permettre l’évaluation d’un module élastique. Cependant, en présence de matériaux peu denses, les écrasements sur les appuis ne permettent pas de réellement assimiler la pente de la courbe à un réel module élastique. L’équipement utilisé ne permettant pas de corriger ces éventuels tassements aux appuis, ce module n’est donc pas exploité.

La partie post-pic est représentative de l’énergie nécessaire à la rupture en deux morceaux de l’éprouvette. L’intégrale de la courbe déplacement-effort est alors directement liée à une énergie de rupture. L’exploitation de ce paramètre restera comparative et le calcul rigoureux de ce paramètre n’est pas réalisé car l’essai est parfois arrêté (limite de course de moins 20 mm) alors que l’effort n’est pas encore revenu à zéro. L’énergie de rupture serait alors sous-estimée. Par ailleurs, le déplacement ne prend pas en compte le tassement sur appui

des échantillons. Il est donc illusoire d’estimer correctement l’énergie de rupture, il a été choisi de ne pas recaler l’origine des déplacements de façon à retraduire la variation des épaisseurs des échantillons cassés. L’origine choisie correspond à la position initiale de la traverse.

Les échantillons utilisés sont également prélevés par découpe dans les plaques initiales: un échantillon de 14×4×4 cm3 et deux échantillons 14×4×2 cm3pour chaque formulation.

V.4.3 Méthode acoustique

L’appareil utilisé pour évaluer la vitesse d’ondes acoustiques longitudinales est le pundit (Figure 40). Il permet de mesurer le temps de parcours d’une onde d’un point émetteur à un point récepteur.

Figure 40: Pundit

Pour réaliser cette mesure, il faut que les côtés des composites sur lesquels doivent être mis les transducteurs soient plans. L’échantillon est comprimé manuellement dans le sens de la longueur (L) entre les deux transducteurs permettant le passage de l’onde acoustique à travers le matériau. L’appareil fournit le temps de propagation t de cette onde. A partir de cette donnée, la vitesse de propagation ou la célérité (c) est déterminée par la formule :

t L s m

c( / ) =

En première approximation, faute de mesurer le coefficient de poisson du matériau, le module acoustique (E) est déterminé par la relation :E (MPa) = ρ.c²