ÉTAT DE L’ART SUR LA TENUE AU FEU DES COMPOSITES STRATIFIÉS
I.6 Conclusions et limitations
Au vu de l’état de l’art exposé concernant la tenue thermomécanique des matériaux composites exposés au feu, nous avons remarqué un manque de compréhension des mécanismes d’endommagement induits par la dégradation thermomécanique du matériau, en raison de la complexité et des couplages des différents mécanismes mis en jeu. Cela a été clairement mis en évidence dans le paragraphe I.1 concernant la certification des structures soumis au feu et les essais réglementaires proposés par les différents organismes dédiés à la certification, y compris dans le secteur aéronautique.
Afin de réduire le couplage des phénomènes physiques, il existe des moyens conventionnels permet-tant d’en caractériser certains, comme nous l’avons présenté dans le paragraphe I.2. Ces essais s’avèrent importants pour l’identification et la formulation des modèles de dégradation thermomécanique, notam-ment aux échelles du stratifié ou du pli, comme nous l’avons présenté dans le paragraphe I.3. Cependant, certains auteurs de la communauté feu ont remarqué l’importance des phénomènes d’endommagement surfaciques comme les délaminages sur la réponse thermique. Ces mécanismes sont la conséquence de la fissuration matricielle à une échelle plus fine, à l’échelle des fibres et de la matrice, et d’une dissipation énergétique suffisante pour amener à une telle propagation, y compris dans les régions non dégradées par pyrolyse. La prévision de ce phénomène sous gradient thermique est nécessaire, sachant qu’il s’agit d’un mécanisme d’endommagement critique qui va conséquemment modifier la réponse mécanique et thermique du matériau.
Il manque manifestement (i) de protocoles expérimentaux permettant de caractériser finement les mécanismes de dégradation et d’endommagement à l’échelle du pli et de l’interface et (ii) de modèles pouvant prédire le comportement du matériau à partir de cette information mésoscopique (et en particu-lier dans la région non dégradée du matériau), ce qui n’est pas pris en compte dans les modèles actuels, comme nous avons remarqué dans le paragraphe I.3.
Prévoir les réponses thermiques et mécaniques d’une structure soumise au feu nécessite donc d’avoir
(i) une bonne connaissance de l’influence de la température sur le comportement physique du pli et (ii) une bonne description de l’ensemble des mécanismes d’endommagement observés, à savoir : la
dé-gradation volumique thermique (se traduisant par une perte de masse et une évolution des propriétés thermophysiques), et la dégradation surfacique, associée à la fissuration matricielle. Le premier point a
été déjà étudié dans la littérature, et concerne le comportement du pli en fonction de la température. De plus, les modèles de dégradation actuels décrivent correctement la réponse thermique en absence d’en-dommagement surfacique, mais en présence ou pas d’une dégradation volumique par pyrolyse. Donc, les efforts de cette thèse vont porter sur le dernier point, à savoir l’influence de la température sur la réponse à l’interface, et les conséquences d’une telle réponse sur le délaminage.
A cette fin, nous avons besoin d’avoir une connaissance du comportement du matériau d’autant plus qu’il est non linéaire et/ou dépendant de la température, comme il a été déjà vérifié pour le comportement du pli, comme conséquence du comportement visqueux de la matrice. En effet, les propriétés mécaniques d’une matrice polymère sont fortement influencées par la température et présentent un comportement visqueux même à température ambiante. Donc, l’objectif est double :
• Un besoin de trouver le lien entre la dégradation thermique, la température, le comportement et la résistance mécanique du matériau (pli et interface).
• Un besoin de caractériser le comportement et la réponse en rupture de l’interface à l’aide des méthodes expérimentales et numériques.
Pour ce faire, il s’avère nécessaire donc de focaliser notre attention sur deux aspects principaux : (i) l’ana-lyse et l’observation des essais de propagation du délaminage en température et (ii) l’intégration des conclusions issues des analyses expérimentales sur la modélisation de la rupture par délaminage en tem-pérature.
L’état de l’art sur la caractérisation et la modélisation du délaminage en température reste très limité comme nous l’avons présenté dans les paragraphes I.4 et I.5 respectivement, y compris à température ambiante. Les quelques travaux concernant le mode II en particulier montrent les avantages des modèles de zone cohésive afin de gérer à la fois l’amorçage et la propagation du délaminage. Donc, le choix des éléments de zone cohésive pour la modélisation de l’interface semble l’option la plus pertinente pour notre cas d’étude. Cependant, les identifications des paramètres restent très phénoménologiques, ainsi leur application reste limitée aux cas concernés. Ces identifications sont mises en doute lorsque les conditions de sollicitation du matériau sont différentes. Afin de palier cette problématique, certains auteurs ont proposé des formulations des modèles cohésifs avec la prise en compte des effets de vitesse ou de la température. Néanmoins, une fois encore, les études restent très limitées pour les matériaux composites, en particulier en mode II par des essais normalisés. Nous rappelons que le mode II reste le mode de rupture privilégié lors d’essais sous gradient hors plan de température et auquel nous portons l’intérêt principal dans cette thèse. De plus, la question reste ouverte sur la nécessité de prendre en compte ces effets non linéaires pour la prédiction du délaminage en température et dans ce cas, comment ajouter cette dépendance aux modélisations cohésives.
Ces interrogations sont donc pertinentes, sachant qu’elles vont déterminer la formulation des cri-tères en température pour la prévision de l’amorçage et la propagation du délaminage dans le cadre des matériaux composites exposés à des chargements thermo-mécaniques complexes. L’amélioration de l’estimation des performances mécaniques résiduelles des composites soumis au feu dépend alors de la capacité des modèles à prévoir correctement les délaminages, donc des critères définis, en prenant en compte un comportement représentatif du pli et de l’interface en fonction de la température.
Dans la suite, nous présentons d’une part, les bancs d’essai innovants INJECT et BLADE, dévelop-pés à l’ONERA et qui vont nous permettre de : (i) caractériser la réponse d’interface en température, en absence d’endommagement ou dans la phase de propagation et (ii) valider cette caractérisation de la rupture des interfaces dans des cas de dégradation thermomécanique et trouver des liens entre l’en-dommagement thermique et mécanique. D’autre part, nous présentons les analyses expérimentales et numériques permettant de répondre aux questions posées ici et aux objectifs de la thèse.