M´ethodes de r´eparation des composites structuraux

Les conditions du milieu ext´erieur et les sollicitations m´ecaniques d’une structure en mat´eriaux composites sont souvent les sources de nombreux dommages ce qui implique le devoir de d´evelopper des solutions simples, peu coˆuteuses en termes de proc´ed´e de r´eparation et rapides dans le but de r´eduire le temps d’immobilisation de la structure.

Les premiers travaux connus relatifs aux r´eparations des composites sont r´ealis´es par R. Jones et al. en 1979, Jones [30], qui proposent une r´eparation grˆace au collage d’un patch composite sur les fissures observ´ees sur structures m´etalliques. D’apr`es Baker et al, la DSTO (Defence Science and Technology Organisation) australienne a men´e des recherches sur ces r´eparations depuis le d´ebut des ann´ees 70. Ils soul`event un certain nombre de probl`emes que pose ce type de r´eparation comme la taille des patchs, la forme des patchs, l’´epaisseur de la colle, la qualit´e de la colle, le proc´ed´e de collage, la pr´eparation des surfaces, etc.

Ces ´etudes pointues et on´ereuses n’auraient pu ˆetre men´ees sans le concours des institutions gouvernementales et ainsi, les premiers domaines d’utilisations des composites ont surtout

´et´e d´evelopp´es pour des applications militaires [3]. En revanche, la criticit´e du dommage impose l’existence de diff´erentes techniques de r´eparations qui sont d´ecrites par Falzon [31]

suivant un processus bien d´etermin´e (FIGURE 1.10).

FIGURE1.10 – Processus de r´eparation.

R´eparation par rivetage / collage

Dans les parties pr´ec´edentes, Nous avons montr´e que le dommage par d´elaminage ´etait une des causes principales de la d´egradation des propri´et´es m´ecaniques des mat´eriaux com-posites et en particulier en compression, des travaux de recherches ont ´et´e fond´e pour d´efinir des solutions pratiques `a fin de limiter la propagation de ces d´elaminages. Les travaux de Li [32] proposent une m´ethode simple pour riveter la zone d´elamin´ee, grˆace `a cette technique simple, Li montre que 93% de la contrainte `a la rupture en compression peut ˆetre restaur´ee sans faire intervenir de collage. Afin de restituer compl`etement les propri´et´es m´ecaniques, une solution hybride au rivetage et au patch coll´e est propos´ee par Eurocopter [3] pour des r´eparations in situ. Elle consiste `a r´ealiser des feuilles de composite (r´eticul´ee), et `a d´ecouper ces ”feuilles” pour obtenir les plis du patch que l’on vient ensuite riveter avec un film de colle entre chacune d’elles.

FIGURE1.11 – Solution hybride de patch rivet´e/coll´e d’Eurocopter [3].

Cette solution est simple `a mettre en œuvre et assez rapide, en revanche, elle repr´esente un surpoids important et la g´eom´etrie des pi`eces est modifi´ee. De ce fait, elle est particuli`erement adapt´ee aux applications h´elicopt`eres, et moins aux avions o`u les propri´et´es a´erodynamiques sont primordiales.

R´eparation par ”saignement”

Cette technique repose sur le remplissage des fibres creuses par une r´esine de r´eparation.

Une fois la technologie est mise au point, le principe de cette r´eparation est simple : le mat´eriau ´etant endommag´e (fibres creuses rompues), la r´esine s’´etale dans la zone alt´er´ee et

”re-colle” l’ensemble des fissures . C’est de l’auto cicatrisation ou self-healing. Des travaux de recherches ont ´et´e fond´es sur ce principe `a savoir les travaux de Pang [33] et Williams [34]

qui ont r´ealis´e leurs ´etudes sur l’auto r´eparation et obtiennent de tr`es bons r´esultats en termes de propagation de la r´esine de r´eparation dans les fissures et de restitution des propri´et´es m´ecaniques. Une autre application a ´et´e d´evelopp´ee par White [35] qui consiste `a l’utilisa-tion de sph`eres creuses pour contenir la r´esine de r´eparal’utilisa-tion. Celles-ci sont dispers´ees dans la r´esine de r´eparation et se rompent lors de la fissuration matricielle. L’application de cette

technique est limit´ee par le surpoids et la baisse des qualit´es m´ecaniques du mat´eriau d’ori-gine. De plus, elle ne peut se faire qu’une fois. Si un dommage apparaˆıt sur une zone d´ej`a r´epar´ee, une r´eparation classique devra ˆetre envisag´ee.

R´eparation par injection

La technique de r´eparation par injection se d´eroule en trois ´etapes : la 1´ere phase consiste

`a pratiquer des trous dans la plaque pr´ealablement impact´ee afin d’acc´eder aux endomma-gements pour la r´eparation. Ensuite, une injection de r´esine dans le r´eseau de fissures est r´ealis´ee avec une pression de 7bar. Finalement, une cr´eation du vide autour de l’´eprouvette favorise le d´egasage de bulles d’air pour ´eviter les porosit´es.

R´eparation par collage

Grabovac et Whittaker [36] ont utilis´e les patchs composites pour la r´eparation des grands bateaux m´etalliques. Ils ont d´evelopp´e une m´ethodologie de r´eparation par patch en respec-tant plusieurs conseils pratiques pour la conception de r´eparation .

a) R´eparation par recouvrement ext´erieur

La technique de r´eparation par recouvrement consiste `a coller un patch de r´eparation sur l’une ou les deux faces de la structure. Diff´erentes g´eom´etries de patch peuvent ˆetre utilis´ees : circulaire, carr´e, rectangulaire, hexagonale, elliptique, etc. La forme est choisie selon la taille et l’´etendue de l’endommagement.

FIGURE 1.12 – R´eparation par recouvrement ext´erieur [4].

b) R´eparation par remplissage de la zone endommag´ee

Le principe de la r´eparation par remplissage de la zone endommag´ee est de pr´eparer en premier temps la partie endommag´ee en r´ealisant un angle biseaut´e de 2 `a 3 (FIGURE 1.13) ou une surface en escalier (FIGURE 1.14) afin de garantir une bonne adh´esion, ensuite de remplir la partie enlev´ee couche par couche. Finalement d’appliquer un cycle de cuisson afin de polym´eriser l’ensemble de la structure. Cette m´ethode produit de bonnes performances m´ecaniques et permet de restituer la structure initiale. En revanche, le processus de r´eparation

peut ˆetre long et difficile. Des comp´etences techniques qualifi´ees sont demand´ees pour ga-rantir la r´eussite de la r´eparation.

FIGURE 1.13 – Principe de la r´eparation biseaut´e [5].

FIGURE1.14 – Principe de la r´eparation en escalier [5].