Comportement mécanique des composites unidirectionnels

Les courbes contrainte/déformation obtenues pour le composite UD-0 sont présen-tées sur lafigure 3.6. On remarque une très bonne répétabilité des essais, particulière-ment sur la partie initiale des courbes, avec une variabilité de la contrainte à la rupture inférieure à 10%. On identifie clairement les différentes phases de comportement men-tionnées au paragraphe 2.2.3. Le domaine élastique linéaire apparait très court et se termine par un "coude" marquant une diminution significative du module tangent pour une valeur de déformation d’environ 0.1% correspondant à une contrainte de 25 MPa. Au delà de cette valeur seuil, la courbe évolue de manière quasi linéaire jusqu’à la rup-ture. On note une légère inflexion survenant à une valeur de déformation d’environ 0.35%.

0 50 100 150 200 250 0 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 0,014 0,016 Contr ai nte [ MPa ] Déformation [mm/mm]

Figure 3.6 – Courbes contraintes/déformations pour les éprouvettes UD-0

Ainsi, la rigidité du composite UD sollicité dans le sens des fibres varie en fonction de la déformation. Pour étudier plus précisément ces variations, des essais quasi-statiques cyclés ont été réalisés sur le composite UD-0. Les différents cycles de charge/décharge sont présentés sur la figure 3.7.a. On remarque que la courbe enveloppe passant par les points de charge maximale de chaque cycle correspond bien à la courbe contrainte/déformation de l’essai de traction monotone décrit précédemment. De plus, la figure 3.7.b présente l’évolution du module tangent en fonction de la déformation pour chaque phase de chargement des cycles successifs, rapporté au module initial E0.

0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0 50 100 150 200 250 Déformation [mm/mm] C o n tr a in te [ M P a ] (a) 0 0.002 0.004 0.006 0.008 0.01 0.012 0.8 0.85 0.9 0.95 1 1.05 1.1 1.15 1.2 Déformation [mm/mm] E /E o (b) 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 [%] [%]

Figure 3.7 – Essai quasi-statique cyclé : a) cycles de charge/décharge et b) évolution de la rigidité en fonction de la déformation pour chaque phase de montée.

Cette figure apporte beaucoup d’informations. Tout d’abord, on constate une di-minution significative du module tangent avec l’augmentation de la déformation pour tous les cycles. Une baisse du module de 15% peut en effet être observée lors du

pre-mier cycle. Cette valeur diminue ensuite progressivement pour atteindre un peu moins de 10% pour les derniers cycles. Cette diminution du module tangent au début de chaque cycle correspond au passage par le "coude" observé lors des essais statiques. Elle peut être expliquée à l’échelle du composite par l’apparition des premiers mécanismes d’endommagement, comme la fissuration de la matrice ou les décohésions d’interfaces fibre/matrice, ainsi que par le comportement viscoélastoplastique de la résine Elium. Certains mécanismes à l’échelle de la fibre, comme la plastification de l’hémicelluose et de la lignine dans les différentes parois peuvent aussi expliquer ce comportement non linéaire. De plus, sous l’effet des contraintes de cisaillement entre les différentes pa-rois des fibres, des liaisons pectines/hemicellulose et hemicellulose/cellulose peuvent rompre [68]. Certains auteurs [47] ont aussi révélé une augmentation du taux de cris-tallinité de l’hémicellulose. D’autre part, au cours des cycles, le décalage des courbes vers la droite de la figure indique clairement l’évolution d’une déformation permanente qui apparaît rapidement. Celle-ci peut être expliquée en partie par la plastification de la matrice thermoplastique et par l’accumulation de l’endommagement dans le compo-site. L’évolution de cette déformation permanente en fonction du nombre de cycles est présentée sur lafigure 3.8.

0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0 5 10 Déformati on permanente [%] Nombre de cycles

Figure 3.8 – Evolution de la déformation permanente en fonction du nombre de cycles

Par la suite, dès le quatrième cycle, on constate une fois le coude dépassé que le module tangent semble se stabiliser à mesure que la déformation augmente, avant de décroître à nouveau. A partir du cinquième cycle environ, c’est à dire lorsque la défor-mation imposée dépasse 0.3%, le module augmente légèrement durant cette phase de stabilisation. Cette rigidification semble correspondre au point d’inflexion observé sur la courbe contrainte/déformation de l’essai de traction monotone. Elle peut être attribuée à l’échelle de la fibre au phénomène de redressement des microfibrilles de cellulose. Enfin, on peut remarquer que le module tangent initial de chaque phase de

charge-ment décroît légèrecharge-ment pendant les deux premiers cycles, ce qui peut correspondre à l’apparition des premiers mécanismes d’endommagement au delà de la limite d’élas-ticité. En revanche, dès le troisième cycle, ce module augmente légèrement, jusqu’à dépasser (de l’ordre de 10% en fin d’essai) la valeur initiale mesurée lors du premier cycle. Ce phénomène, observé entre autre par Shah [53] pour un composite Lin/Epoxy, peut être expliqué par le caractère en partie irréversible du phénomène de redresse-ment des microfibrilles. En effet, lors d’essais de traction réalisés sur des fibres végétales élémentaires, certains auteurs [47,69] mentionnent l’existence d’un mécanisme par "à-coups" provoqué par des ruptures et re-formations successives des liaisons moléculaires entre les différents constituants de la fibre. La déformation longitudinale induisant des contraintes de cisaillement entre les parois, comme expliqué précédemment, la défor-mation élastoplastique de la matrice d’hémicellulose englobant les microfibrilles peut conduire à la rupture de certaines liaisons moléculaires entre l’hémicellulose et la cellu-lose ou entre l’hémicellucellu-lose et les parties pectidiques [68]. A mesure de l’augmentation de la déformation, ces liaisons peuvent se reformer, maintenant les microfibrilles de cel-lulose dans leur nouvelle configuration. Ainsi, le relâchement de la contrainte appliquée ne permet pas un retour de la fibre dans sa disposition initiale. Par conséquent, lors du chargement suivant, la fibre est immédiatement sollicitée dans sa nouvelle configu-ration microfibrillaire, d’où une rigidité potentiellement augmentée. La cristallisation de l’hémicellulose mentionnée précédemment contribue aussi vraissemblablement à ce phénomène.