Influence de la température sur le comportement mécanique des thermoplastiques

mécanique des thermoplastiques

Comme montré en chapitre 1, le réseau moléculaire n’est pas immuable et va subir des modifications lors d’une élévation de température. La rotation des segments va affaiblir les connexions entre les chaînes moléculaires et induire une diminution des propriétés mécaniques globales du matériau [65-68]. Comme montré en figure 2.4, outre la baisse des propriétés, une hausse de la déformation à rupture est à noter. Cette hausse de la déformation maximale admissible est associée à une partie « plastique » grandissante, traduisant la hausse des effets visqueux induits par l’augmentation de la température.

Figure 2.4 : Influence de la température sur le comportement mécanique d'un polypropylène et d'un polyamide sous chargement monotone [65]

La perte de résistance observée n’est pas linéaire. En effet, l’influence de la température connait plusieurs étapes. Pour des températures au-dessus de la température ambiante mais relativement proche de celle-ci, la perte de propriétés peut être plus ou moins grande en fonction de la sensibilité du matériau à la température.

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De même, pour des températures très élevées, la perte des propriétés finit par se stabiliser à une certaine limite, au-delà de laquelle le matériau change d’état. Les propriétés mécaniques du matériau subissent cependant une diminution drastique aux alentours d’une température intermédiaire. Cette température intermédiaire, variable d’un matériau à l’autre, correspond à la température de transition vitreuse. L’évolution des phénomènes physiques ainsi que la modification du réseau des chaînes moléculaires induite par la transition vitreuse constituent les paramètres responsables du changement drastique de comportement des thermoplastiques observé lors d’une élévation de la température de sollicitation.

L’évolution de la température du matériau peut être de nature externe comme dans le cas d’une sollicitation en enceinte climatique, ou interne de par une dissipation du matériau comme précédemment montré en figure 2.1 et 2.2. L’augmentation de la dissipation précédemment observée est due à un effort imposé proche de l’effort maximal admissible par le matériau ainsi qu’à une évolution de la vitesse de déformation. Cette vitesse de déformation peut, à elle seule, également influencer le comportement mécanique du matériau. Cette influence a été montrée expérimentalement par de nombreuses études et sur un grand nombre de matériaux [69-71]. Un exemple de cette influence est présenté en figure 2.5 :

Figure 2.5 : Influence de la vitesse de déformation sur le comportement mécanique d'un PP pour des vitesses de déformation de (1) 0.17x10-2 s-1, (2) 0.17x10-3 s-1 et (3) 0.17x10-4 s-1 [69]

Comme illustré en figure 2.5, plus la vitesse de déformation est faible et plus le module d’Young et la contrainte maximale admissible diminuent. Ceci est dû au fait que pour de faibles vitesses de déformation, la viscosité aura une importance significative. La viscosité et la vitesse de déformation faible induisent alors une augmentation de l’aire de l’hystérésis, entrainant une dissipation de l’énergie, au même titre qu’un changement de température. Une équivalence temps/température est ainsi régulièrement mise en place afin d’extrapoler les résultats d’essais pour des vitesses de déformation variables. Nous reviendrons plus en détails sur cette équivalence en chapitre 3.

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La teneur en humidité de l’air ou l’immersion de la pièce sollicitée sont, au même titre que la température, des caractéristiques du milieu environnant qui influent sur le comportement mécanique du matériau.

2.1.3. Influence de l’absorption sur le comportement mécanique

des thermoplastiques

Il a été montré en chapitre 1 que l’absorption de liquide par le matériau est rendue possible par l’insertion de molécules de liquide entre les chaînes moléculaires. Cette présence induit une phase supplémentaire dans le matériau influençant l’importance des phénomènes physiques apparaissant lors de la sollicitation du matériau. Des études expérimentales menées dans une enceinte à humidité contrôlée se sont penchées sur l’influence de l’humidité ambiante sur le comportement mécanique d’un composite à matrice polyamide 6.6 sous sollicitation cyclique [64]. Une synthèse de ces résultats est présenté en figure 2.6 :

Figure 2.6 : Influence de l'humidité relative et de la fréquence sur le comportement du matériau (a) RH50/1Hz (b) RH80/1Hz (c) RH50/10Hz et (d) RH80/10Hz [64]

(a) _(b)

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Cette étude a montré l’influence non seulement de la fréquence de sollicitation mais également de la teneur en humidité sur l’évolution du comportement au fur et à mesure des cycles. Un environnement humide induit une augmentation de l’aire de l’hystérésis et un adoucissement du matériau tout en augmentant la déformation, ce qui est caractéristique de l’effet plastifiant de l’eau. L’influence du couplage fréquence/humidité sur ces trois caractéristiques est présenté en figure 2.7 :

Figure 2.7 : Influence de l'humidité relative et de la fréquence sur l'énergie dissipée, l'adoucissement et la déformation du matériau en fonction du nombre de cycles [64]

Il est à noter que le cas le plus défavorable est celui comprenant la plus haute humidité et une fréquence de 1 Hz. Une fréquence plus élevée, quelle que soit la teneur en eau de l’air ambiant, restreint l’adoucissement et la hausse de déformation réduisant de fait l’aire de l’hystérésis. Ce résultat est en accord avec les études expérimentales précédemment citées qui tendent à montrer qu’une fréquence de sollicitation de 10hz diminue la capacité du polyamide 6.6 de dissiper de l’énergie.

Comme montré précédemment, la température de sollicitation a une influence croissante à mesure qu’elle se rapproche de la température de transition vitreuse du matériau. L’absorption d’eau ayant un impact direct sur la température de transition vitreuse, la différence entre la température de sollicitation, bien que pouvant être constante, et la température de transition vitreuse va diminuer. De ce fait, comme montré en figure 2.8, plus la masse de liquide absorbée par un matériau sera importante et plus le comportement du matériau s’en trouvera affecté et s’apparentera à une élévation de température, y compris pour des chargements monotones [30, 32-34, 37, 58, 64-66,72-74] :

32 | P a g e Figure 2.8 : Influence de la masse d'eau absorbée sur le comportement mécanique de polymères [64]

Cette section a présenté les différents types de comportements que peuvent présenter des composites à base polymère en fonction du type de sollicitation et de l’environnement dans lequel le matériau évolue. Tous les polymères étudiés ont montré une sensibilité aux types et aux conditions de sollicitations. L’objectif de ce chapitre est donc d’investiguer et de déterminer les phénomènes

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physiques à l’œuvre dans le matériau d’étude en fonction des paramètres liés à l’application industrielle.

2.2. Point de vue adopté

L’objectif de ce chapitre est de présenter le protocole et les résultats d’essais réalisés sur la matrice PPS ainsi que son composite. Cette campagne de caractérisation a pour but d’observer les phénomènes physiques se produisant au sein du polymère lors de sollicitations monotones et cycliques et d’étudier l’évolution de leur influence sur son comportement mécanique pour différents environnements de sollicitation. La matrice PPS, comme la grande majorité des thermoplastiques, est très sensible à son environnement de sollicitation. L’ajout de fibres va modifier ces sensibilités sans pour autant les estomper complètement. Afin de pouvoir anticiper les conséquences de ces phénomènes, il est donc nécessaire d’étudier en premier lieu l’influence de l’environnement de sollicitation sur les caractéristiques mécaniques du PPS. Cette étude est reconduite sur le composite afin d’évaluer l’influence des fibres sur la sensibilité du matériau précédemment quantifiée. Ainsi, deux matériaux ont été étudiés. Le premier est un PPS et l’autre ce même PPS mais renforcé à hauteur de 40% en masse de fibres de verre courtes. Ces deux matériaux ont été fournis par Solvay et sont connus sous le nom commercial Ryton® QA 200 P pour la matrice, et Ryton® R-4-200 pour le composite. Quelques propriétés physiques de ces matériaux sont listées dans le tableau 1.