Fatigue de composites à fibres végétales

Il y a un manque flagrant de données de fatigue sur les composites à fibres végétales, ce qui limite sérieusement leur utilisation future dans des pièces pour lesquelles la fatigue est un facteur critique [Shah et al., 2013]. Les études sur la fatigue des composites à fibres végétales sont plutôt récentes, et les principales sont présentées ici.

PARTIE 1 : Etat de l’art

[Towo et Ansell, 2008a et 2008b] ont montré que le traitement des fibres de sisal avec une solution de NaOH 0,06 M améliore la résistance à la traction des composites à fibre de sisal et résine polyester mais n'influence pas nécessairement la vie en fatigue surtout à des niveaux de contrainte faibles. Ils ont montré aussi que les composites sisal/époxy, fabriqués avec des fibres de sisal traitées, n'ont pas une durée de vie en fatigue nettement améliorée par rapport à ceux réalisés avec des fibres non traitées, et ils ont attribué ce constat à la forte liaison formée entre la résine époxy et les fibres de sisal non traitées. Ces auteurs indiquent également que les composites dissipent plus d'énergie pendant les premiers cycles ; de grandes boucles d’hystérésis sont observées pendant les premiers cycles (Figure 1.20) indiquant une plus grande dissipation d'énergie à l'interface fibre-matrice. La diminution de l’aire de la boucle d’hystérésis pour un nombre élevé de cycles est conforme à la rigidification des composites dans la direction des fibres, comme illustré par la légère augmentation de la pente de la zone de chargement de la boucle d'hystérésis. Dans leurs travaux, ils concluent également que la variabilité des propriétés des fibres naturelles n’augmente pas les dispersions sur les durées de vie en fatigue qui sont équivalentes de celles obtenues pour des composites à fibres synthétiques.

Figure 1.20 -Boucles d’hystérésis pour un cycle initial et un cycle final de fatigue d’un composite à fibres de sisal et à matrice époxy [Towo et Ansell, 2008a].

[Shahzad et Isaac, 2009] ont caractérisé le comportement en fatigue d’un composite chanvre (mat)/polyester. Ils montrent que les composites chanvre/polyester ont une sensibilité à la fatigue similaire à celle des composites à fibres de verre. En plus, une pré-alcalinisation des fibres conduit à une amélioration de la résistance à la fatigue de ces composites. Ces composites n’ont montré aucune altération de leur résistance à la fatigue sous influence de l'eau. D’autre part, ces composites ont montré peu de dégradation de la rigidité ou peu d’endommagement pendant l’essai de fatigue, avant la rupture fragile soudaine. Les auteurs concluent aussi que la dégradation de la résistance à la fatigue est supérieure en traction-compression qu’en traction-traction.

Liang et al. ont étudié le comportement en fatigue de composites lin/époxy, en les comparant à des composites verre/époxy. Ils ont fait des études thermographiques préliminaires qui ont suggéré une

PARTIE 1 : Etat de l’art

- 34 -

déformations minimales à chaque cycle a mis en évidence des déformations cycliques permanentes pour toutes les éprouvettes testées. Concernant la rigidité, les éprouvettes [0/90]3S en verre/époxy montrent une perte finale de 7 à 25% selon le niveau de chargement. En revanche, une augmentation du module de l'ordre de 2% est constatée pour le composite à fibres de lin. Pour Liang et al., ce phénomène de raidissement peut être expliqué par l'effet d'auto-redressement de la fibre de lin en association avec le réalignement des microfibrilles contenues dans la fibre. La perte finale du module est de 15-20% et de 50-70% pour les éprouvettes [±45]3S de composite à fibres de lin et à fibres de verre, respectivement, ce qui suggère que les composites à fibres de lin offrent une performance cyclique plus stable que les composites à fibres de verre [Liang, 2012 ; Liang et al., 2012].

Enfin [Shah et al., 2013] ont étudié le comportement en fatigue de divers composites à fibres végétales alignées, fabriqués par infusion. Ils ont analysé l'effet de plusieurs facteurs : (i) le type et la qualité des fibres végétales, (ii) la fraction volumique de fibres, (iii) l'architecture textile, et (iv) le rapport de charge en fatigue. A chaque fois, la résistance à la fatigue des composites à fibres végétales a été comparée à celle des composites verre/polyester. Ils ont montré que les équations de régression en loi puissance sont une bonne représentation des courbes S-N pour les composites à fibres végétales. Ils ont conclu que, bien que le type et la qualité de la fibre végétale, l’architecture du tissu et la teneur en fibres des composites aient un impact significatif sur les propriétés statiques (en traction), ces paramètres ont peu d'impact sur la fatigue de ces matériaux. Les rapports de charge plus élevés conduisent à l'amélioration des performances en fatigue. Les mécanismes et les modes de rupture des composites sont les mêmes pour tous les types de fibres végétales, mais dépendent de la teneur en fibres, de l’architecture textile et du rapport de charge (R). Finalement ils concluent que, même si la performance absolue en fatigue des composites à fibres de verre est de loin supérieure à celle des composites à fibres végétales, les cinétiques de dégradation de la résistance à la fatigue sont plus faibles dans les composites à fibres végétales que dans les composites à fibres de verre (Figure 1.21).

(a) (b)

Figure 1.21 - Courbes S-N absolues (a) et relatives (b) pour des composites à fibres de verre et/ou de carbone et des composites à fibres végétales testés en fatigue en traction [Shah et al., 2013] : J pour jute, H

PARTIE 1 : Etat de l’art

Chapitre III Comportement des composites sous

impact mécanique

Les impacts à basse vitesse sont inévitables pour des pièces en service et sont souvent indétectables à l’œil. Divers programmes de recherche ont été menés pour pouvoir obtenir une meilleure compréhension du comportement sous impact des matériaux composites [Cantwell et Morton, 1991].

Généralement, les tests d'impact sur les matériaux composites sont classés en deux grandes catégories: impact à basse et à haute vitesse. L’impact à haute vitesse est caractérisé par la pénétration dans l’échantillon ou sa perforation, accompagnée par des ruptures de fibres. La technique d’essai la plus courante est le test d’impact balistique [Nunes et al., 2004 ; Duell, 2004]. Des chocs lasers permettent également de créer des impacts à très haute vitesse [Ecault et al., 2013]. L’impact à basse vitesse est caractérisé par du délaminage et la fissuration de la matrice [Azouaoui et al., 2001 ; Padaki et al., 2008 ; Richardson et Wisheart, 1996]. Les techniques d’essai les plus utilisées sont l’essai Charpy et l’impact par tour de chute. La méthode Charpy n'est pas appropriée pour certains composites, à cause de l'anisotropie du matériau [Duell, 2004 ; Ku et al, 2005]. Ainsi, la méthode la plus couramment utilisée pour étudier la tenue à l’impact à basse vitesse des composites est celle par tour de chute.