Propriétés d’endommagement du composite par analyse de l’interphase

de la surface de la fibre, leur relation vis à vis de l’adhésion fibre-matrice et des propriétés mécaniques du composite [18]. Il existe diverses techniques développées pour évaluer l’adhérence fibre-matrice et les effets des modifications de surface de la fibre sur les propriétés effectives des composites.

Ces méthodes peuvent être classifiées suivant trois catégories :

– Les méthodes directes qui incluent la méthode de pull-out des fibres [30], de fragmentation [74, 101], de compression [132] et de microindentation [88, 152, 53] qui sont les plus utilisées ;

– Les méthodes indirectes évaluant l’adhérence fibre-matrice qui incluent la méthode de la courbe variable, l’essai de compressibilité de tranche ou de boule, l’analyse mécanique en dynamique et le contraste de tension par la spectroscopie de rayon X ;

– Les méthodes de composites laminés qui incluent les essais de flexion transverse à 90◦_{, les}

essais de traction, le cisaillement sur trois ou quatre points, les essais de décollement et les essais de rupture en mode I et II.

Les méthodes directes ou essais micromécaniques

Les essais micromécaniques sur composites modèles monofilamentaires (e.g. comportant une fibre unique ou mettant en jeu la sollicitation d’une fibre unique) permettent d’accéder loca- lement au comportement de la liaison renfort-matrice en mesurant la résistance interfaciale - essentiellement en cisaillement, plus rarement en traction - et d’établir les traits fondamentaux du transfert de charge et de la rupture interfaciale.

– L’essai par compression de diabolos consiste à solliciter en compression une éprou- vette parallélépipédique dans laquelle a été noyée une fibre unique alignée suivant l’axe. La géométrie de l’échantillon ou la différence de coefficient de Poisson entre fibre et ma- trice engendrent des contraintes de cisaillement ou de traction à l’interface. Le principe est de mesurer la contrainte de compression pour laquelle un début de décohésion est détec- tée. Cette technique est dorénavant peu usitée à cause de la difficulté de préparation des éprouvettes et de détection de la décohésion.

– La méthode du déchaussement (i.e. pull-out) reste l’essai le plus simple, mais aussi celui dont les améliorations ont été les plus nombreuses. Il s’agit d’extraire une fibre unique d’un bloc de polymère. Le principe est d’enregistrer les courbes charge/allongement, puis de calculer la résistance interfaciale au cisaillement en rapportant la force nécessaire pour décoller la matrice du renfort à la surface de contact. Cette technique présente notamment l’avantage de prendre en compte les phénomènes de frottement consécutifs à la décohé- sion et de déterminer les énergies de rupture. A contrario ces inconvénients résident dans l’analyse plus que délicate des résultats des essais, mais surtout dans les difficultés expéri- mentales de fabrication, manipulation et mises en charge des échantillons : le taux d’échec atteint souvent plus de 75%.

– Les essais de fragmentation [155] font intervenir une fibre unique totalement enchâssée dans une éprouvette de polymère sollicitée en traction. La fibre subit alors des ruptures successives à chaque fois que sa résistance en traction est atteinte, et ce jusqu’à ce que les morceaux restants ne permettent plus au transfert de charge par cisaillement de gé- nérer des contraintes de traction suffisament importantes. Cette technique, relativement simple à mettre en oeuvre, présente néanmoins l’inconvénient de ne pouvoir être utilisée qu’avec des matrices fortement déformables, ce qui n’est pas toujours le cas des résines thermodurcissables.

– L’essai de microindentation [53], et sa variante push-out, permet une mesure de la force de décohésion in situ sur composites réels (i.e. principalement unidirectionnels). Cette méthode consiste à appuyer à l’aide d’un indenteur sur l’extrémité d’une fibre jusqu’à la décohésion de celle-ci. Les inconvénients de cette technique réside dans l’acquisition des paramètres indispensables au calcul des contraintes de décohésion et de frottement. Cette méthode s’avère alors difficile à utiliser, en raison, notamment, des faibles déplacements et/ou de la difficulté de prendre en compte certains phénomènes (e.g. évaluation de la longueur décollée, influence des fibres voisines, choix d’un critère de décohésion, répartition de la charge de l’indenteur sur la surface de la fibre, etc.).

Les méthodes précédentes conduisent à des renseignements intéressants sur les interfaces, en particulier sur la résistance interfaciale au cisaillement et ses variations en fonction des traite- ments de surface appliqués aux renforts.

Dans les méthodes faisant appel à des composites modèles monofilamentaires, la fibre se trouve dans un état de contrainte peu réaliste par rapport à celui régnant in situ dans un composite réel. Seul l’essai de microindentation permet d’éviter cet inconvénient. D’autre part, ces méthodes sont très délicates à mettre en oeuvre pour ce qui concerne, notamment, la préparation des éprouvettes. De plus, les résultats ne convergent pas vers une mesure absolue, instrinsèque, de l’adhésion interfaciale et permettent au mieux d’établir des comparaisons entre matériaux.

Conclusion

Tandis que les méthodes indirectes fournissent une évaluation qualitative de l’adhérence entre la fibre et la matrice, les méthodes de composites stratifiés mesurent réellement la sensibilité des propriétés des interfaces fibre-matrice. Les méthodes directes, quant à elles, fournissent non seule- ment une mesure de l’adhérence fibre-matrice, mais peuvent également fournir des informations sur les modes de défaillance et de l’énergie de rupture de ces interfaces.

Cependant, il est à noter que les multiples études liées à l’utilisation de ces essais restent limi- tées quant à leur application. Une de ces questions est l’identification des paramètres appropriés pour caractériser l’interface fibre-matrice. Tous les tests directs ou indirects ont été développés dans le but de mesurer l’effort de cisaillement de l’interface fibre-matrice. Pourtant, plusieurs de ces essais sont des essais de rupture qui, s’ils sont correctement employés, permettent de mesurer l’énergie de rupture. Par contre, ce paramètre est très rarement employé pour évaluer l’adhé- rence fibre-matrice ou concevoir les matériaux composites. D’autre part, ces tests nécessitent des précautions expérimentales, en particulier, dans la préparation des éprouvettes. Enfin, les résultats obtenus, par les essais micromécaniques sur une éprouvette, sont difficilement transpo- sables à la détermination des propriétés du composite globale (e.g. différences de sollicitations, aux interactions entre les fibres, etc.).