2. Comportement mécanique en compression dans l’épaisseur
2.3. Comportement monotone et en rupture du composite
élastique (module élastique et limite élastique), du domaine inélastique et une identification de la contrainte à la rupture.
2. Comportement mécanique en compression dans l’épaisseur 2.3.1. Comportement mécanique
Comme tous les composites, le matériau C/C 2,5D présente des caractéristiques très dispersées. Cela s’explique par la présence des porosités, par des plis non parallèles et un aiguilletage imparfaitement réparti (cf. Section II.1.2.).
La Figure II.13 permet d’identifier un domaine élastique avec une limite comprise entre 100 à 120 MPa et un module élastique de 10,5 à 12,6 GPa (Tab. II.6) pour une déformation moyenne proche de 0,01 mm/mm. Le module élastique ne montre pas de corrélation notable avec la densité des échantillons. `A la suite de ce domaine élastique, l’endommagement du matériau débute par l’apparition de la fissuration.
Figure II.13 – Comportement en compression dans la direction de l’aiguilletage du C/C 2,5D
Le domaine inélastique correspond à un endommagement progressif du matériau et à une propagation des fissures jusqu’à la ruine complète de l’échantillon. Tout d’abord, un palier apparaît au début du domaine. Il est schématisé par deux lignes horizontales vertes sur la Figure II.13. Durant ce palier les porosités présentes dans le matériau sont écrasées avec création des fissures. C’est l’étape dite de densification [Henry 2003] car l’espace initial des porosités diminue.
`
A la suite de ce palier, le domaine inélastique est quasi-linéaire et son coefficient directeur est de 1 500 MPa. La contrainte à la rupture atteinte par le Carbone/Carbone 2,5D est comprise entre les lignes bleues sur la Figure II.13. En moyenne, la contrainte à rupture est voisine de 190 MPa ± 10 MPa.
Échantillon 1 5 10
Module d’Young (MPa) 12 610 10 530 10 710 Contrainte à la rupture (MPa) 178 194 173
Déformation à la rupture 4,75% 6,42 % 4,13% TABLEAU II.6 – Caractéristiques mécaniques du composite C/C 2,5D
2.3.2. Faciès de rupture
Le mode de rupture observé lors des essais de compression jusqu’à rupture est prin- cipalement le cisaillement. Des ruptures à 45° se produisent sur tous les échantillons (Fig. II.14a). Plus rarement, un délaminage est possible, en addition de la rupture par
cisaillement (Fig. II.14b).
(a) (b)
FigureII.14 – Ruptures (a) par cisaillement, (b) par cisaillement et délaminage
Ces ruptures produisent beaucoup de débris, sous forme d’une poudre fine, visible sur la Figure II.15a. L’observation au MEB (Fig. II.15b) permet de reconnaître une morphologie de type « plaquette », caractéristique des feuillets de graphite, dont sont constitués les débris. Les débris de matrice sont d’un diamètre moyen de quelques μm à 40 μm et de quelques μm d’épaisseur.
L’observation des débris donne des informations sur le mécanisme de rupture. Le volume important de ces particules montre que la matrice, de résistance mécanique inférieure en compression à celle des fibres, se pulvérise peu à peu lors des essais mécaniques [Fujii 2001, Rao 2008].
(a) (b)
Figure II.15 – Observations microscopiques des faciès de rupture avec débris (a) au microscope optique, (b) au MEB
2. Comportement mécanique en compression dans l’épaisseur Après nettoyage (Fig. II.16), le faciès de rupture permet l’observation des 3 plans de fibres de carbone (0°/+60°/-60°). Les observations au microscope optique et au MEB des Figures II.17 et II.18 sont réalisées parallèlement à la direction d’application de l’effort de compression (suivant la flèche de la Figure II.14a).
Figure II.16 – Faciès de rupture après nettoyage
La Figure II.16 montre l’alternance de zones brillantes et de zones sombres. Les zones brillantes correspondent aux plans de fibres sectionnés par la rupture parallèlement aux fibres. La résistance mécanique des fibres n’est pas engagée, c’est la matrice les entourant et les liant entre elles qui est cisaillée. Les zones sombres sont les deux autres directions de plis. Ceux-ci sont orientés à +60° et -60° par rapport aux plis de la zone brillante et connaissent une rupture transversale aux mèches fibreuses, par cisaillement.
(a) Les 4 zones vues au MEB (b) Schématisation des zones Figure II.17 – Observation des faciès de rupture après nettoyage
Une vision globale de l’ensemble des faisceaux de fibres mis en jeu est proposée dans la Figure II.17 où :
- les fibres de la zone 1 correspondent aux fibres brillantes de la Figure II.16 ;
- les fibres notées 2 et 3 ont respectivement une orientation de +60° et -60° par rapport aux fibres du pli numéro 1 ;
- les fibres notées 4 correspondent à l’aiguilletage.
Des observations à plus fort grossissement de ces quatre zones sont données par la Figure II.18. Tout d’abord, le faciès de la zone 1 est caractérisé par des arrachements longitudinaux du fait du cisaillement du pli parallèlement aux fibres. Des ruptures transversales sont aussi visibles.
Les zones 2 et 3 présentent au contraire des ruptures transversales aux faciès granuleux. La liaison fibre-matrice est relativement faible. Des décohésions fibre/matrice sont visibles. Elles laissent apparaître la surface irrégulière des fibres, qui est striée. De fait, les stries des fibres se retrouvent sous forme d’empreinte dans la matrice.
Détails de la zone 1 Détails de la zone 2
Détails de la zone 3 Détails de la zone 4 Figure II.18 – Observations MEB du faciès de rupture en compression
2. Comportement mécanique en compression dans l’épaisseur Les filaments de la zone 4 montrent une rupture à deux angles. La partie gauche de chaque fibre est hétérogène, comme striée alors que la partie droite est lisse. De plus, la partie de gauche semble faire un angle de 45°.
Ces fibres sont celles constituant l’aiguilletage. Elles sont théoriquement parallèles à la direction de chargement. Dans ce cas, les filaments subiraient une compression pure. Cependant, les fibres peuvent être inclinées de quelques degrés par rapport à la verticale. Elles subissent alors une action conjuguée de compression et de flexion. Le faciès de rupture des fibres observés est typique de cette combinaison de chargement [Nordin 2001].
L’observation de l’ensemble des quatre orientations de fibres de carbone permet de confirmer que la rupture de la structure fibreuse est brutale. La quantité importante de débris de matrice pyrocarbone et sa plus faible résistance mécanique indiquent que la matrice se transforme petit à petit en poudre et que les fibres de carbone se rompent brutalement lorsque les contraintes de compression atteignent la contrainte à rupture de l’architecture fibreuse.