Comportement à l’impact (choc Charpy)

4.6.3.1 Capacité d’absorption d’énergie

Les essais de choc Charpy permettent d’obtenir la résilience ou la ténacité du matériau étudié. Cette résilience se déduit à partir de l’énergie absorbée par le matériau, mesurée expérimentalement. L’énergie absorbée rapportée à la section de l’éprouvette donne la résilience du matériau. L’essai de résilience sert

(a) Séquence[LLLL]s

(b) Séquence[CCCC]s

FIGURE4.20 – Schémas montrant l’endommagement des plis après la décharge pour les stratifiés non-

à caractériser la résistance du matériau à la propagation de fissure. Plusieurs facteurs peuvent influencer la réponse d’un composite stratifié soumis à un choc : la rigidité et la résistance des fibres, la résistance de la matrice, la séquence d’empilement des couches, l’orientation des fibres, l’épaisseur du stratifié, la vitesse d’impact, les conditions d’appui de l’éprouvette . . .

La résilience des stratifiés, notée K, est donnée par la relation 4.21. K=W

S (4.21)

avec :

— W : énergie de l’éprouvette, absorbée par rupture ;

— S : section de l’éprouvette, produit de son épaisseur par sa largeur. 4.6.3.2 Résultats

La figure 4.21 montre les valeurs et l’évolution de la résilience des stratifiés non-hybrides. Pour chacun des stratifiés, la valeur de résilience présentée ici est la moyenne des cinq valeurs correspondant au nombre d’essais réalisés sur chaque séquence d’empilement.

[LLLL]s

_[CCCC]s

Séquence d'empilement

0

2

4

6

8

10

12

Résilience (J/cm²)

FIGURE4.21 – Évolution de la résilience des composites lin et carbone

Les résultats montrent que le composite carbone a une grande capacité d’absorption d’énergie com- parativement au composite lin. En effet, le composite carbone offre une résilience de 10,02 J/cm2_{qui est} supérieure de 214,11% à celle du composite lin (3,19 J/cm2_{). Des résultats similaires ont été trouvés dans} la littérature [181–184]. En effet, il a été prouvé dans ces différents travaux que les composites renforcés par des fibres synthétiques (carbone, verre, aramide . . . ) ont une capacité d’absorption d’énergie lors d’un impact tel qu’un choc (ou une ténacité) supérieure à celle des composites à base de fibres naturelles

(lin, jute, chanvre . . . ). La différence de comportement observée entre les deux types de composite est es- sentiellement attribuée à la mauvaise résistance de l’adhésion entre les fibres naturelles (lin) et la matrice polymère, comparativement aux fibres synthétiques (carbone) qui ont une meilleure compatibilité avec la matrice. Ces zones de faible adhésion des fibres naturelles avec la matrice favorisent la propagation des fissures responsables de la dégradation de la résistance du composite. Les propriétés mécaniques des fibres telles que le module d’Young et l’allongement à la rupture sont des facteurs importants quant au comportement du composite face à un choc. Les fibres de carbone ont une rigidité plus élevée que celle des fibres de lin. Cette rigidité des fibres permet au composite carbone d’absorber une grande énergie de choc. Par ailleurs, la continuité des fibres synthétiques et leur bon arrangement (alignement et pa- rallélisme) favorisent aussi la résistance des composites renforcés avec ces fibres suite à un impact. En fait, ces caractéristiques géométriques permettent souvent d’éviter un éventuel pull-out (retrait ou sortie) précoce des fibres de la matrice [185].

La tolérance aux dommages est le second comportement (en dehors de la capacité d’absorption d’énergie) qu’on peut analyser sur un composite soumis à un choc. On distingue trois principaux modes de déformation de l’éprouvette : sans rupture, rupture partielle, rupture complète. Une rupture partielle des éprouvettes (forme en V) a été observée aussi bien pour le composite carbone que pour le composite lin, comme le montre la figure 4.22. En revanche, une déformation plus prononcée a été observée pour les éprouvettes en lin. La majorité des couches ayant rompu dans le composite lin sont celles qui se trouvent du coté opposé à la face impactée en raison des contraintes de traction subies par ces couches à la suite choc (figure 4.22c, vue de profil). Le mode de déformation de l’éprouvette est contrôlé par le ou les mécanismes de rupture qu’elle a subis. Les mécanismes de rupture les plus rencontrés sont la rupture de la matrice, la rupture des fibres et le délaminage [186]. Dans notre cas un mécanisme de rupture de fibres a été observé. L’apparition de micro-fissures dans la matrice est le premier endommagement qui apparaît dans un composite sollicité au choc [186]. Sa présence engendre principalement la réduction de rigidité de la couche affectée mais pas une rupture sévère du composite. Bien que cette fissuration matricielle ne soit pas le mode de rupture le plus important, elle provoque la rupture des fibres ou le délaminage qui sont les modes de rupture principalement responsables de la perte de rigidité globale du composite. Pour les éprouvettes composites lin, les couches de la face impactée ont déformé sans rompre ni fissurer (figure 4.23b). Par contre pour les éprouvettes carbone, on a pu observer une rupture de fibres traversant toute l’épaisseur du composite. Tous les plis ont été très endommagés, ce qui rend le matériau proche d’une rupture complète ; des fissures ont été repérées sur la couche extérieure au point d’impact (figure 4.23a). Cette fissuration sur la couche impactée indique une concentration de contrainte due au caractère fragile des fibres de carbone qui éliminent la distribution des contraintes dues à l’impact [187] ; ce qui est le contraire des couches de lin qui possèdent une meilleure tolérance aux dommages à cause de leur flexibilité de pliage [188] afin d’éviter au composite de lin de connaître une rupture complète c’est-à-dire la séparation de l’éprouvette en deux. En résumé, en dépit d’une mauvaise capacité d’absorption d’énergie, le composite stratifié lin affiche une meilleure tolérance aux dommages grâce à une déformation à la rupture de ses fibres plus élevée que celle des fibres de carbone. Les fibres de lin ont une déformation à la rupture supérieure qui est autour de 3% alors que celles des fibres de carbone est de moins de 1% [189].