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Mécanismes de dégradation/protection

3 Comportements et endommagements des ma- ma-tériaux composites tissés

3.3 Mécanismes de dégradation/protection

3.3.1 Mécanismes observés sur les matériaux composites à matrice cé-ramique

Dégradations thermo-mécaniques

Après élaboration par CVI, le matériau présente une porosité résiduelle de l’ordre de 10 à 15% résultant d’une densification partielle à deux échelles (voir FigureI.20) : (i) des macropores correspondant aux vides laissés entre les fils et les couches de tissus, et (ii) des micropores résultant d’une infiltration incomplète au sein d’un même fil.

Macropores

Micropores Fissurations torons transverses

Fissurations matricielles

Figure I.20 – Défauts initiaux dus aux procédés d’élaboration d’un composite tissé 3D Cf/SiC [Dal00].

L’écart entre les coefficients de dilatation thermique de la fibre et de la ma-trice entraîne l’apparition de contraintes résiduelles au sein de la mama-trice lors de l’élaboration du matériau [Dal00]. Ces contraintes d’origine thermique sont par-tiellement relaxées lors du refroidissement du matériau et donnent naissance à des fissures orientées par la symétrie matérielle du composite. On distingue deux types de fissures préexistantes (voir FigureI.20) : (i) des fissures matricielles générées per-pendiculairement au renfort tissé, et (ii) des fissures transverses à l’intérieur des fils, parallèlement à leur petit axe.

La présence de ces défauts initiaux (porosité, fissuration) est source d’endom-magement et explique la forte non linéarité de comportement observée sur ce type de matériau. Cependant, contrairement aux composites Cf/SiC, les différents com-posants des composites SiC/SiC ont tous des coefficients de dilatation thermique proches les uns des autres. Ils ne sont alors pas endommagés par les variations de température associées aux procédés de fabrication.

Dégradations mécaniques

Lorsque le matériau est chargé mécaniquement, différents réseaux de fissures apparaissent selon un scénario bien défini [Fan01,Gui96,Lam01] :

– Dans un premier temps, la matrice inter-fil se fissure (voir Figure I.21c). Ces fissures sont initiées à des macro-pores, se développent orthogonalement au chargement, et ne pénètrent pas les fils : lorsqu’elles arrivent sur les premières fibres, elles sont déviées le long des fibres et forment des fissures de décohésion. – Dans un second temps, c’est la matrice des fils sollicités transversalement qui se fissure (voir FigureI.21d). Ces fissures sont initiées à des micro-pores, et se développent longitudinalement aux fibres. Elles se terminent en périphérie des fils par de nouvelles fissures de décohésion.

– Dans un troisième temps, c’est la matrice des fils sollicités longitudinalement qui se fissure (voir Figure I.21d). Ces fissures sont également initiées à des micro-pores, mais se développent orthogonalement aux fibres. Et de même que les fissures inter-fils contournent les fils, les fissures intrafils transverses ne cassent pas les fibres mais les contournent en formant des fissures de décohé-sion.

– Finalement, les ruptures de fibres, induites par des micro-défauts, mènent ra-pidement à la ruine du matériau.

(a) Composite sain.

(b) Fissures inter-fils.

(c) Fissures intra-fils longitudinales.

(d) Fissures intra-fils transversales.

Figure I.21 – Réseaux de fissures [Gen10].

Ainsi, le mécanisme clef du comportement mécanique des CMCs est la décohésion fibre/matrice ou fibre/fibre au droit des fissures matricielles qui permet de générer un composite ductile à partir de deux constituants fragiles.

3. Comportements et endommagements des matériaux composites tissés 29

Dégradations/Protections physico-chimiques

Dans le cas d’un chargement mécanique inférieur à la contrainte à rupture du ma-tériau (la matrice est fissurée, les fibres soutiennent la charge), plusieurs mécanismes, induits par l’environnement chimique (éventuellement oxydant) et la température (éventuellement élevée), coexistent et pilotent la durée de vie du matériau :

– L’air chaud pénètre le réseau de fissures et vient oxyder les fibres, qui voient leur contrainte à rupture diminuer. Éventuellement, la contrainte appliquée devient critique, et les fibres commencent à rompre, menant rapidement à la ruine du composite.

– L’air chaud va également oxyder certaines couches de la matrice auto-cicatrisante. L’oxydation produit un verre pâteux qui bouche les fissures et ralentit l’oxydation des fibres. La durée de vie du matériau s’en voit largement allongée.

Ainsi, l’un des mécanismes clefs de la durée de vie des CMCs est la dégradation des fibres et des fils sous chargement mécanique et chimique.

3.3.2 Mécanismes observés sur les matériaux composites à matrice or-ganique

Contrairement aux tissés CMC, les tissés CMO ont un taux de porosité très faible, et n’ont pas de mode d’endommagement apparent après élaboration comme on peut le voir sur la figure I.22. De plus, la matrice polymère a un module de Young très faible devant celui des fibres et supporte donc peu d’effort. Il n’y a pas de processus de fissuration matricielle analogue à celui observé dans un CMC.

Figure I.22 – État initial d’un composite tissé 3D CMO [Cou08].

Les mécanismes d’endommagement mis en évidence lors d’une sollicitation uni-axiale d’un composite tissé 2D/2.5D CMO sont en premier lieu la fissuration des torons transverses (voir FigureI.23a). Pour des chargements plus importants, appa-raissent des décohésions à l’interface torons/matrice ou bien à l’interface entre deux torons orthogonaux. La ruine du matériau est due à la rupture des fibres dans les fils longitudinaux [Gao99] (voir Figure I.23b).

Pour les composites tissés 3D, la faible non linéarité observée dans le sens du renfort est liée à l’insertion d’un renfort dans la troisième direction. Les torons paral-lèles à l’axe de sollicitations auront tendance à se tendre entraînant une dégradation du matériau. La FigureI.24présente les mécanismes de dégradation mis en évidence par El Hage sur un composite tissé 3D CMO sollicité en traction uniaxiale dans le sens chaîne [EH06]. L’endommagement s’initie à l’interface des torons sens chaîne et de la matrice ainsi qu’à l’interface entre les torons sens chaîne et sens trame. Cet endommagement est suivi d’une fissuration inter-torons. Cela se traduit par la pro-pagation de la fissuration de la matrice d’une interface à l’autre entre deux torons

(a) Fissure transverse et décohésion asso-ciée.

(b) Ruptures de fibres dans un fil longitudi-nal.

Figure I.23 – Mécanismes d’endommagement du 2.5D-C/époxy [Cou08]. de trame juxtaposés, suivie par la décohésion à l’interface torons sens chaîne/trame. Le scénario d’endommagement est complété par la fissuration des torons sens trame. Pour des niveaux de sollicitation plus importants, les fils longitudinaux (parallèle à la direction de chargement) s’endommagent. Pour finir, on observe une multiplication de la fissuration des torons sens trame. Ces observations sont similaires à celles réa-lisées par d’autres auteurs sur des composites tissés 3D à matrice organique [Cou08]. La rupture finale intervient par rupture transverse des torons parallèles à la direction de chargement et par rupture longitudinale des torons orthogonaux à la direction de chargement [Tan00].

Figure I.24 – Mécanismes de dégradation observées sur un tissé 3D CMO [EH06].

4 Pratique de modélisations numériques :