Comportement immergé d'un composite Carbone/Epoxy sous contrainte de traction statique

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Submitted on 23 Oct 2017

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Carbone/Epoxy sous contrainte de traction statique

Humeau Corentin, Peter Davies, Frédéric Jacquemin

To cite this version:

Humeau Corentin, Peter Davies, Frédéric Jacquemin. Comportement immergé d’un composite Car-bone/Epoxy sous contrainte de traction statique. Journées Nationales sur les Composites 2017, École des Ponts ParisTech (ENPC), Jun 2017, 77455 Champs-sur-Marne, France. �hal-01621587�

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Diffusion d’eau dans les composites sous contrainte de traction

Water diffusion in composites under static tensile stress

Corentin Humeau1, 2, Peter Davies1 et Frédéric Jacquemin2

1 : Laboratoire des Comportements et Structures en Mer IFREMER Centre Bretagne

ZI de la Pointe du Diable, 29280 Plouzané, France

e-mails : corentin.humeau@ifreemer.fr

peter.davies@ifremer.fr 2 : E3M-GeM Université de Nantes

58 rue Michel Ange, 44600 Saint-Nazaire, France

e-mail : frederic.jacquemin@univ-nantes.fr

Résumé

Le couplage entre contrainte de traction et diffusion d’eau dans les composites constitue un sujet clef pour de nombreuses applications en mer (bateaux de course, offshore, installations d’énergies marines, etc). Malgré une bonne connaissance du comportement découplé ou partiellement couplé de ces phénomènes, très peu de données sont disponibles sur leur comportement couplé. Le but de cette étude est donc d’apporter des données aidant à la compréhension de ces phénomènes. Trois types de matériaux ont été choisi pour l’étude : une résine époxy pure (matériau référence) et des composites à renfort tissé, sollicités hors axes des renforts (pour les +/-45°) et le long des fibres (pour les quasi-isotropes). L’étude s’articule suivant trois axes, dans un premier temps la diffusion d’eau et le comportement mécanique des matériaux sont étudiées de manière indépendante. Dans une deuxième partie, il est question des comportements semi-couplés. Dans ce cas le composite tissé à ±45° est le seul matériau présentant des modifications de comportements mécanique et diffusif. Dans une dernière partie l’étude des phénomènes couplés met en évidence une modification du comportement des matériaux par rapport à celui des essais découplés et semi-couplés.

Abstract

The coupling between tensile stress and water diffusion in composites represents a major issue in many marine applications (racing boats, offshore, marine energy installations, etc). Nevertheless, even if these behaviours are well documented as separate subjects or as partially coupled phenomena, there are still very few data on fully coupled mechanisms. This study aims to understand what governs the coupled behaviour, by studying the water diffusion in carbon/epoxy composites under static tensile stress. As a reference, the coupling is first studied on neat resin samples to characterise the matrix. Then the study focuses on composites with two types of woven fibre orientations: one at ±45°, in order to understand the coupling effects on composites loaded away from the reinforcement direction and another quasi-isotropic to get properties along the fibres. For each material we used the same approach: first, the tensile tests, damage propagation and water diffusion were studied separately. In a second section, the study focuses on semi-coupled effects: water diffusion after damage introduction and tensile behaviour after ageing showing properties’ changes for +/-45° samples contrary to resin and quasi-isotropic composite. The final part of the study examines coupled phenomena and highlights variations compared to uncoupled behaviour for all the sample types.

Mots Clés : Composites, couplage, traction, diffusion d’eau Keywords : Composites, coupling, tensile stress, water diffusion

1. Contexte de l’étude

Les océans recouvrent plus de 70% de la surface du globe et représentent une source d’énergie considérable (courants, vents, minerais, etc). Au cours des dernières années, ce potentiel énergétique a induit le développement du secteur offshore au travers des domaines stratégiques tels que les énergies marines renouvelable, l’exploitation de minerais en grande profondeur ou la construction de bateaux. La problématique majeure de ce genre d’applications est que l’environnement marin induit des sollicitations extrêmes sur les matériaux de structures, qui doivent

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être choisis spécifiquement pour ce type d’applications. Les études relatives aux matériaux en milieux marin ont mis en évidence les propriétés intéressantes des composites à matrice thermodurcissable. Parmi leurs principaux atouts il faut citer : leur résistance en fatigue, leur non-corrosion, et aussi leur rapport ténacité/poids très intéressant. Pour ce qui est de leurs renforts, les fibres longues de carbone présentent des caractéristiques excellentes, notamment leurs propriétés mécaniques spécifiques et leur interface avec les résines thermodurcissables. Pour ces raisons, le matériau choisi pour l’étude est une résine époxy renforcée de fibres longues en carbone.

Lors de leur utilisation en milieu marin les composites s’exposent à deux types de sollicitations : une diffusion d’eau au sein du matériau et des chargements mécaniques induits par la nature de l’application.

Ces sujets ont été très largement étudiés en tant que phénomènes dissociés. La diffusion d’eau dans les polymères a d’abord été abordée d’un point de vue expérimental dans les études [1]–[10]. Ces travaux ont mis en évidence des comportements diffusifs caractéristiques, dépendants : du type de résine, de l’orientation des fibres, des défauts du matériau ou encore de la température environnante. Les études [5], [6], [8]–[11] ont ensuite permis de mettre en place différentes théories correspondant aux comportements diffusifs identifiés par les travaux expérimentaux.

Pour ce qui est dû au comportement mécanique d’un composite carbone/époxy deux catégories d’études se distinguent : celles à propos de la résine [12]–[15] et celles au sujet du composite [12], [16]. Les résultats de ces travaux permettent de considérer le comportement du composite comme purement élastique lorsqu’il est sollicité suivant l’axe des renforts. Dans le cas d’un composite en chargement désaxé par rapport à la direction des fibres, la première phase de son comportement est élastique jusqu’au passage d’un seuil d’écoulement. Les études sur la résine pure mettent en évidence une première partie du comportement purement élastique, qui peut être réduite, suivi d’une deuxième phase correspondant à un comportement élastique non linéaire ou plastique.

Le couplage partiel de la sollicitation mécanique avec la diffusion d’eau dans les matériaux polymères et composites a aussi été relativement bien étudié.

Parmi les phénomènes semi-couplés, l’influence de l’endommagement sur la diffusion a été représentée de deux façons différentes dans la littérature. Les études [17], [18] ont mis en place un modèle de prise en eau suivant un raisonnement thermodynamique, d’autres travaux ont considéré une diffusion d’eau additionnelle dans les fissures : soit par changement de conditions aux limites tels que Perreux et al. l’ont fait dans [19]–[22], soit à l’aide de deux diffusions interconnectées (dans les fissures et dans le matériau) à l’image des études [23], [24]. Toutes ces théories prédisent une augmentation de la diffusion d’eau avec l’endommagement du matériau. Les travaux expérimentaux ont mis en évidence cette même tendance et de nombreuses études [18]–[21] ont montré une bonne corrélation entre la théorie et l’expérience.

Le second type de couplage partiel a été étudié dans [25]–[27]. Ces travaux ont montré que la diffusion d’eau induit deux phénomènes affectant le comportement mécanique du matériau : une dégradation physique et chimique. Le premier est créé par l’inclusion de molécules d’eau dans le réseau polymère générant de la plastification et du gonflement. Ceci provoque une modification de l’état de contrainte du matériau et donc de son comportement. Lors de la dégradation chimique de la résine l’eau agit sur les liaisons de la chaine du polymère, ce qui affecte ses propriétés mécaniques de manière permanente. Dans le cas de l’époxy, l’oxydation du matériau est très minoritaire comparée aux phénomènes de plastification et gonflement.

Malgré une connaissance importante des phénomènes découplés et semi-couplés, leurs interactions lors de sollicitation mécanique en immersion ont très peu été étudiées comme dans [28], [29]. La raison principale de ce manque de données est due à la difficulté de réaliser de tels essais couplés. Cette revue de littérature a mis en évidence le manque d’informations théoriques et expérimentales concernant le couplage contrainte/diffusion d’eau dans les matériaux polymères et composites. Le

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but de l’étude est donc d’apporter des informations expérimentales et théoriques sur ce sujet, dans l’optique d’orienter les recherches à venir. Compte tenu de la grande variabilité de sollicitations vues par un matériau au cours de son utilisation, l’étude se focalise sur la plus courante d’entre elles : la traction. De plus, au vue de l’originalité du sujet de l’étude et dans un souci de simplification des moyens d’essais, le cas d’une sollicitation statique a uniquement été abordé. 2. Matériaux et moyens d’essais

Dans cette étude, trois types de matériaux sont utilisés : une résine époxy pure, et deux composites à matrice époxy renforcées en fibres de carbones pré-imprégnées tissées (mis en œuvre par autoclave). Le premier composite est constitué de 4 plis orientés à ±45°, le second est un quasi-isotrope disposés comme suit : 0°/90°, +/-45° |+/-45°, 0°/90°. La résine utilisée pour ces matériaux est un époxy à durcisseur amine (LY556 et XB3403 de chez Huntsman). Ces différents matériaux permettront de déterminer les propriétés de la matrice pure, du composite sollicité hors de l’axe des renforts et suivant la direction des fibres.

Tab. 1. Propriétés initiales des échantillons

Les essais utilisés se classent en trois catégories : les tests mécaniques quasi-statiques, les suivies de prise en eau, et les sollicitations mécaniques immergées.

En tenant compte de la température de transition vitreuse des trois matériaux, qui est de 120°C (cf. Tab. 1), les essais de prise en eau ont été réalisés à 60°C afin d’accélérer le phénomène de diffusion tout en évitant la modification des propriétés du matériau. Les éprouvettes de diffusion utilisées sont des plaques carrées de 50mm de cotés et d’épaisseur variables suivant le type de matériau (valeurs fournies dans Tab. 1). Avant chaque étude de diffusion, tous les échantillons sont séchés dans une enceinte à humidité relative nulle jusqu’à stabilisation de leur masse. L’étude se fait ensuite sur les matériaux immergés en eau de mer naturelle et pesés régulièrement. Ceci est fait dans le but d’obtenir des données intéressantes dans le cadre d’applications marines.

Fig. 1 Image issue de l’analyse de fissuration, au cours d’un essai de traction sur composite à +/-45°

La contrainte mécanique étudiée est la traction quasi-statique. Ce type d’essai a été standardisé par les normes ASTM D3039 dans le cas du composites et ASTM D638 pour la résine polymère. De plus, pour la suite de l’étude il est important de connaitre la relation entre l’endommagement et la contrainte appliquée. Il existe trois grandes méthodes d’identification de l’endommagement : par suivi de la variation du module, étudiée dans[19], [20], [30], par l’analyse du signal d’émission acoustique (cf. [31], [32]), ou encore par suivi de fissuration (cf. [32], [33]). Dans l’étude, nous avons choisi de caractériser l’endommagement à l’aide d’une méthode basée sur un paramètre physique qui est la densité de fissuration du matériau. Cette méthode permet une mise en place simple (comparée à l’émission acoustique) et la caractérisation de l’endommagement dans tous les

Epaisseur Tg Taux massique de résine

[mm] [°C] [%m]

Résine pure 2.6 119

Composites +/-45° 2.2 122 30

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types de matériaux y compris le composite quasi-isotrope (à l’inverse de la variation du module). Afin de réaliser l’identification des fissures, la tranche des éprouvettes a été peinte en blanc pour augmenter le contraste matériau/fissures, comme en Fig. 1. L’aire de fissures est ensuite obtenue sous Matlab™ en trois temps : chaque image est dans un premier temps soustraite avec une image référence (de l’échantillon non endommagé). Dans un second temps, un seuil est appliqué à la soustraction d’image. Afin de retranscrire au mieux l’aire des fissures sans y inclure des défauts parasites ce seuil est ajusté manuellement par l’opérateur à l’aide d’une image modèle. Finalement, la densité surfacique de fissures est obtenue par un rapport d’aire entre les zones noires de la tranche de l’éprouvette et la surface totale.

En parallèle de ces essais, la température de transition vitreuse a aussi été caractérisée au cours du vieillissement en considérant la chute du module de perte (par analyse DMA). Ces essais ont été réalisés sur une DMA Metravib en étuve, à humidité relative ambiante.

Fig. 2 Banc d’essai de traction immergée

Les tests couplés ont pour leur part été réalisés sur un banc d’essais spécialement conçu pour cette étude (cf. Fig. 2). Il permet l’immersion des échantillons dans l’eau de robinet jusqu’à des températures de 60°C (+/-0,5%). L’eau du bac est continuellement renouvelée dans le but d’éviter tout problème d’oxydation annexe du bac ou des mors, pouvant modifier la composition chimique de l’eau. Dans le même temps, les éprouvettes sont sollicitées en traction statique par l’intermédiaire de bras de levier, permettant l’application de charges allant jusqu’à 50kN.

3. Comportements non-couplés

Dans un premier temps, la diffusion d’eau et le comportement mécanique ont été considérés de façon indépendante. Les résultats de cette première étude serviront de référence lors de l’analyse des phénomènes partiellement et totalement couplés.

3.1 Diffusion d’eau

La diffusion d’eau a été caractérisée pour les trois types de matériaux (résine, +/-45° et quasi-isotrope) en considérant le rapport de la masse d’eau diffusée sur la masse totale de résine. De cette façon, les résultats de prise en eau dans la résine et dans les matériaux composites peuvent être comparés. Pour le cas des composites, la masse de résine est déterminée par ATG.

Les résultats obtenus mettent en évidence une vitesse de diffusion plus importante dans la résine pure. Ce phénomène à été étudié en particulier dans [9], il s’explique par la présence de fibres représentant des obstacles à la diffusion de l’eau dans la matrice, principalement pour la diffusion transverse aux renforts. De plus, les quantités d’eau à saturation présentent de légères variations d’un matériau à un autre. Ces différences s’expliquent par un plateau de saturation insuffisamment marqué dans le cas de la résine. De plus, la présence d’éventuels défauts d’interface fibre/matrice dans les composites peuvent induire une diffusion d’eau sein de ces défauts [34].

5 0 10 20 30 40 0 2 4 6 Moist ure content [ %] t/e [h/mm]

Neat resin Exp +/-45° Exp Q-Iso Exp

Fig. 3 Courbes de diffusion d’eau dans la résine et les composites +/-45° et quasi-isotrope

3.2 Comportements mécaniques

De la même façon que pour la diffusion, le comportement de traction quasi-statique à été étudié pour les trois types de matériaux.

La résine époxy pure présente un comportement élastique non linéaire avec une rupture moyenne à σ = 81 MPa, ε = 4,8 % et un module initial de 2.8 GPa. (cf. Fig. 4). Les essais de traction sur la résine époxy pure ont été complétés par des essais de chargement-déchargement. Ces essais n’ont mis en évidence ni déformation permanente, ni modification de module (quelle que soit la charge appliquée). De plus, l’éprouvette de résine ne subit aucun blanchiment au cours d’un essai de traction. Nous pouvons donc en conclure que la résine possède un comportement élastique non-linéaire et ne subit pas d’endommagent macroscopique au cours d’une sollicitation de traction. Le composite tissé à +/-45° suit un comportement élastique linéaire (module : 18.5 GPa) jusqu’au passage d’un seuil d’écoulement situé à σ = 120 MPa et ε = 1,5 %. La rupture de ce composite intervient pour une contrainte moyenne de 180 MPa et un allongement de 9 % (cf. Fig. 5).

Finalement, le composite quasi-isotrope suit un comportement parfaitement élastique caractérisé par un module de 41 GPa, jusqu’à atteindre sa rupture pour une contrainte moyenne de 567 MPa et un allongement de 1.4 % (cf. Fig. 4).

4. Comportements semi-couplés

L’étude des comportements semi-couplés vise à identifier l’effet d’une sollicitation antérieure sur le comportement du matériau. Dans cette étude, deux cas de figure sont possibles : l’influence d’un pré-chargement sur la diffusion d’eau et l’impact du vieillissement sur le comportement mécanique du matériau.

4.1 Comportements mécaniques après diffusion

L’étude bibliographique a mis en évidence deux actions possibles de l’eau sur les polymères affectant potentiellement ses propriétés mécaniques : la modification physique du réseau polymère (gonflement, plastification) et la dégradation chimique du matériau. Pour connaitre l’influence de l’eau sur la réponse mécanique du matériau, des essais doivent être menés au cours du vieillissement (étude de l’action physique de l’eau) et après saturation (action chimique de l’eau sur le polymère).

Dans les cas d’une résine époxy la dégradation chimique est secondaire, les essais ont donc été menés dans la partie transitoire de la diffusion. Ainsi, les différents temps de vieillissement ont été choisis pour √t/e = 5.5, 10 et 15, respectivement noté « Aged 1-X », « Aged 2-X » et « Aged 3-X » (avec X correspondant au numéro d’échantillon ou à leur moyenne).

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Les résultats résumés en Fig. 4 montrent que les propriétés mécaniques du matériau sont dégradées lors de la phase transitoire de la diffusion (du stade « Unaged » à « Aged 2-X ») et se stabilisent proche de la saturation (« Aged 2-X » et « Aged 3-X »).

0 2 4 6 0 25 50 75 100 Stres s [MPa] Strain [%] Unaged-Average Aged 2-Average Aged 3-Average 50 100 150 1E7 1E8 1E9 Temperature [°C] Unaged 1 Unaged 2 Aged 1-1 Aged 1-2 Aged 2-1 Aged 2-2 Aged 2-3 Aged 3-1 Aged 3-2 Aged 3-3 E' [MP a]

Fig. 4 Courbe contrainte-déformation de traction [gauche] et module de perte au cours d’un essai DMA [droite] pour la résine époxy pure à différents temps de vieillissement

0 2 4 6 8 10 0 50 100 150 200 Stres s [MPa] Strain [%] Unaged 1 Unaged 2 Unaged 3 Aged 1 Aged 2 Aged 3 0 2 4 6 8 10 0 10 20 30 Crack dens ity [%] Strain [%] Unaged 1 Unaged 2 Unaged 3 Aged 1 Aged 2 Aged 3

Fig. 5 Courbe contrainte-déformation [gauche] et endommagement [droite] au cours d’un essai de traction quasi statique sur le composite tissé à +/-45°, non-vieilli et vieilli

0 1 2 0 200 400 600 Stres s [MPa] Strain [%] Unaged 1 Unaged 2 Unaged 3 Aged 1 Aged 2 Aged 3 0 1 2 0 20 40 60 Crack dens ity [%] Strain [%] Unaged 1 Unaged 2 Unaged 3 Aged 1 Aged 2 Aged 3

Fig. 6 Courbe contrainte-déformation [gauche] et endommagement [droite] au cours d’un essai de traction quasi statique sur le composite quasi-isotrope, non-vieilli et vieilli

Dans le cas des composites, l’effet de l’eau sur le comportement du matériau est uniquement étudié après saturation de ces derniers. Pour les deux composites, les essais de traction ont été couplés avec une analyse de l’endommagement. Les deux cas présentent une sensibilité différente au vieillissement.

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Le composite tissé à +/-45°, possède un comportement mécanique qui est très dépendant de celui de la résine. La réponse mécanique de celui-ci est donc très dépendante de la quantité d’eau (cf. Fig. 5), à l’image de la résine (cf. Fig. 4). Pour ce qui est de l’endommagement, l’eau induit deux modifications majeures : une diminution du seuil d’endommagement (de 4.3%def. à 1.4%def.) et une augmentation de la vitesse d’endommagement (de 5.5%/%def. à 6.4%/%def.).

A l’inverse, le comportement mécanique du composite quasi-isotrope dépend peu de celui de la résine, et n’est donc pas impacté par le vieillissement (cf. Fig. 6). De la même façon, l’endommagement du matériau ne subit pas de variation suite à la prise en eau comme le montre Fig. 6.

Pour conclure, l’eau impacte de manière très différente chaque type de matériau. Cette divergence des résultats est due à une diffusion localisée exclusivement dans la résine. Ainsi plus l’essai mécanique sollicite la matrice époxy du matériau plus son comportement sera modifié par le vieillissement.

4.2 Diffusion d’eau après sollicitation

Le second type de phénomène semi-couplé intervient lors de la diffusion d’eau dans un matériau pré-endommagé.

La diffusion d’eau dans la résine a été étudié après sollicitation à trois niveaux de charge distincts correspondant à : la partie élastique linéaire de la courbe de traction pour les essais à 30MPa, la partie non-linéaire dans le cas d’un pré-charge à 70MPa et proche de la rupture, à 80MPa. Les essais de diffusion d’eau dans la résine pure n’ont mis en évidence aucune variation après sollicitation. En effet, les essais mécaniques réalisés sur la résine pure (présentés en 3.2) n’ont mis en évidence aucun endommagement macroscopique du polymère, qui suit le même comportement diffusif quel que soit le pré-chargement subi.

A l’inverse, l’analyse des fissures dans les composites au cours des essais de traction (cf. Fig. 5 et 6), a mis en évidence un endommagement macroscopique dépendant de l’état de contrainte. Or la présence de fissures dans les matériaux induit nécessairement une modification de la prise en eau. Les pré-chargements ont donc été choisi comme correspondant aux différentes phases d’endommagement : avant l’endommagement, à l’initiation de fissures, et dans la phase d’endommagement constant.

Ainsi, l’identification des paramètres de diffusion (cf. Fig. 7) a permis de mettre en avant la dépendance du coefficient de diffusion à la densité de fissures et de la masse à saturation au du niveau de pré-charge appliqué.

Pour ce qui est de la vitesse de prise en eau, la pré-charge n’a pas d’influence dès lors qu’elle reste sous le seuil d’endommagement du matériau. Si le chargement dépasse la valeur de ce seuil, on observe une accélération de la diffusion d’eau dans le composite (cf. Fig. 7). Cette tendance est observée pour les deux types de composites.

0 2 4 6 2x10-13 3x10-13 4x10-13 5x10-13 Diffu sion coefficient [ m²/s ] Crack density [%] Q-iso Composites +-45° Composites 0 20 40 60 80 100 5.4 5.7 6.0 6.3 Maximal water up take [%] /_max [%] Q-iso Composites +-45° Composites

Fig. 7 Coefficient de diffusion identifié en fonction de la densité de fissures induite par la pré-charge [gauche] et quantité d’eau à saturation en fonction de la pré-charge [droite]dans les composites +/-45° et quasi-isotrope

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Lorsque l’on regarde l’influence de la pré-charge sur la quantité d’eau à saturation dans les matériaux, deux tendances se distinguent. Dans le cas du composite tissé à +/-45°, la masse d’eau à saturation augmente linéairement avec la précontrainte. Cependant, dans le matériau quasi-isotrope, la quantité d’eau à saturation n’est que très peu modifiée par l’augmentation du pré-chargement (cf. Fig. 7)

Nous pouvons en conclure que la masse à saturation dépend de l’orientation des fibres dans le matériau et de la pré-charge appliquée. A l’inverse, le coefficient de diffusion est uniquement dépendant du taux d’endommagement macroscopique dans le matériau composite.

5. Comportements couplés

L’étude du couplage partiel de la résine n’a mis en évidence aucune modification de diffusion après sollicitation. De plus, elle ne subit aucun endommagement lors des essais de traction quasi-statiques. Pour ces raisons, et dans le but d’obtenir dans un premier temps des résultats significatifs, le couplage total sera uniquement étudié sur les matériaux composites.

5.1 Composites tissés à +/-45°

La diffusion d’eau dans les composites sollicités hors de l’axe des renforts a montré une forte dépendance au pré-chargement. Dans le but de mener une étude comparative, le couplage a été considéré pour des chargements équivalents à ceux de l’étude semi-couplée.

Les temps à la rupture des composites à +/-45° lors des essais couplés sont très différents suivant la contrainte appliquée, ce qui induit des quantités d’eau très dispersées en fin d’essai. Ainsi, une représentation classique des courbes de diffusion d’eau masquerait les informations des essais à chargements importants (temps courts). Afin de retranscrire au mieux toutes ces informations sur une seule figure, nous avons représenté en Fig. 8 l’écart (en %) entre la prise en eau du matériau sollicité et la référence (matériau sain)

0 5 10 0 50 100 Water up take diff erence [%] t/e [h/mm]

Stressed under 30MPa Stressed under 60MPa

Stressed under 110MPa Stressed under 130MPa

Fig. 8 Ecart entre prise en eau du matériau sollicité et la référence (matériau non-sollicité) en fonction de √t/e

Les résultats de diffusion d’eau (Fig. 8) montrent trois comportement distincts pour : les composites sollicités au dessus ou proche du seuil d’endommagement du matériau sec, ceux sollicités entre les deux seuils (sec et vieilli) et ceux sollicités sous la contrainte de premier endommagement du matériau vieilli. Dans le premier cas, la prise en eau est modifiée dès le début du chargement : l’écart avec la référence augmente jusqu’à ce que le matériau atteigne la rupture. Lorsque l’échantillon est sollicité entre les seuils d’endommagement, la diffusion est d’abord modifiée de la même façon que pour les essais semi couplés, avant qu’elle ne suive la même évolution que dans le premier cas. Finalement, si le matériau est sollicité en dehors de la zone d’endommagement, la diffusion suit la référence sans atteindre la rupture.

9 5.2 Composites quasi-isotropes

Les essais semi-couplés sur le composites quasi-isotropes n’ont montré qu’une faible influence du pré chargement sur la diffusion d’eau et aucun impact du vieillissement sur l’endommagement du matériau. Seul deux sollicitations ont donc été choisies : de part et d’autre du seuil d’endommagement.

Dans un premier temps, la prise en eau du composite quasi-isotrope sollicité sous son seuil d’endommagement suit la référence. Cependant, avant la saturation complète du matériau, le processus de diffusion s’accélère. Cette augmentation de la prise en eau s’explique par la modification des propriétés mécaniques de la résine qui engendre une décohésion de l’interface avec la fibre et crée des fissures.

La diffusion d’eau est modifiée significativement dès l’immersion des composites lorsqu’ils sont chargés au dessus du seuil. A l’inverse du composite +/-45°, la diffusion d’eau ne s’accélère pas pour atteindre la rupture rapidement. Celle-ci intervient pour des temps d’exposition longs (170 jours). 0 5 10 15 20 0 4 8 12 16 Water up take [%] t/e [h/mm]

Stressed under 300MPa Stressed under 430MPa Reference undamaged

Fig. 8 Prise en eau du matériau sollicité et diffusion référence (matériau non-chargé) en fonction de √t/e

6. Conclusion

L’étude des comportements mécaniques au cours du vieillissement ont mis en évidence une chute de propriétés de la résine se répercutant sur les composites sollicités hors de l’axe de leurs renforts. Des différences de comportements diffusifs ont aussi été mises en avant pour des composites pré-endommagés ou sous charge constante. A l’inverse, la diffusion dans la résine ne subit aucune modification suite à l’application d’une charge.

Ainsi, la modification du comportement diffusif dans le composite est principalement induite par la présence d’endommagement. En effet, l’insertion de fissures peut être assimilée à un taux de porosité pouvant se remplir en eau. Les études [17], [19], [23], [35] ont mis en place des modèles diffusifs permettant de prendre en compte l’impact du taux d’endommagement ou de porosité dans le matériau.

Les prochains essais seront donc menés dans ce sens afin d’identifier des lois de diffusion d’eau dans les composites pré-chargés et, à terme, dans les matériaux sous charge.

Références

[1] A. C. Loos and G. S. Springer, “Moisture Absorption of Graphite-Epoxy Composites Immersed in Liquids and in Humid Air,” J. Compos. Mater., vol. 13, no. 2, pp. 131–147, Apr. 1979.

[2] Y. Diamant, G. Marom, and L. J. Broutman, “The effect of network structure on moisture absorption of epoxy resins,” J. Appl. Polym. Sci., vol. 26, no. 9, pp. 3015–3025, Sep. 1981.

[3] T. C. Wong and L. J. Broutman, “Water in epoxy resins Part II. Diffusion mechanism,” Polym. Eng. Sci., vol. 25, no. 9, pp. 529–534, Jun. 1985.

10

[4] J. Zhou and J. P. Lucas, “Hygrothermal effects of epoxy resin. Part I: the nature of water in epoxy,” Polymer, vol. 40, no. 20, pp. 5505–5512, Sep. 1999.

[5] S. Popineau, C. Rondeau-Mouro, C. Sulpice-Gaillet, and M. E. R. Shanahan, “Free/bound water absorption in an epoxy adhesive,” Polymer, vol. 46, no. 24, pp. 10733–10740, Nov. 2005.

[6] Y. J. Weitsman, “Anomalous fluid sorption in polymeric composites and its relation to fluid-induced damage,”

Compos. Part Appl. Sci. Manuf., vol. 37, no. 4, pp. 617–623, Apr. 2006.

[7] A. Le Duigou, P. Davies, and C. Baley, “Seawater ageing of flax/poly(lactic acid) biocomposites,” Polym.

Degrad. Stab., vol. 94, no. 7, pp. 1151–1162, Jul. 2009.

[8] M. D. Placette, X. Fan, J.-H. Zhao, and D. Edwards, “A dual stage model of anomalous moisture diffusion and desorption in epoxy mold compounds,” in 2011 12th Intl. Conf. on Thermal, Mechanical Multi-Physics

Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems, 2011, p. 1/8-8/8.

[9] H. R. Dana, A. Perronnet, S. Fréour, P. Casari, and F. Jacquemin, “Identification of moisture diffusion parameters in organic matrix composites,” J. Compos. Mater., vol. 47, no. 9, pp. 1081–1092, Apr. 2013.

[10] T. Peret, A. Clement, S. Freour, and F. Jacquemin, “Numerical transient hygro-elastic analyses of reinforced Fickian and non-Fickian polymers,” Compos. Struct., vol. 116, pp. 395–403, Sep. 2014.

[11] J. Crank and others, The mathematics of diffusion, vol. 2. Clarendon press Oxford, 1975. [12] D. Roylance, “Laminated composite plates,” Mass. Inst. Technol. Camb., 2000.

[13] A. E. Mayr, W. D. Cook, and G. H. Edward, “Yielding behaviour in model epoxy thermosets—I. Effect of strain rate and composition,” Polymer, vol. 39, no. 16, pp. 3719–3724, 1998.

[14] W. D. Cook, A. E. Mayr, and G. H. Edward, “Yielding behaviour in model epoxy thermosets—II. Temperature dependence,” Polymer, vol. 39, no. 16, pp. 3725–3733, 1998.

[15] A. Gilat, R. K. Goldberg, and G. D. Roberts, “Experimental study of strain-rate-dependent behavior of carbon/epoxy composite,” Compos. Sci. Technol., vol. 62, no. 10–11, pp. 1469–1476, Aug. 2002.

[16] M. R. Wisnom, B. Khan, and S. R. Hallett, “Size effects in unnotched tensile strength of unidirectional and quasi-isotropic carbon/epoxy composites,” Compos. Struct., vol. 84, no. 1, pp. 21–28, Jun. 2008.

[17] S. Roy and W. Xu, “Modeling of diffusion in the presence of damage in polymer matrix composites,” Int. J.

Solids Struct., vol. 38, no. 1, pp. 115–126, Jan. 2001.

[18] S. Roy, W. Xu, S. Patel, and S. Case, “Modeling of moisture diffusion in the presence of bi-axial damage in polymer matrix composite laminates,” Int. J. Solids Struct., vol. 38, no. 42–43, pp. 7627–7641, Oct. 2001. [19] C. Suri and D. Perreux, “The effects of mechanical damage in a glass fibre/epoxy composite on the absorption

rate,” Compos. Eng., vol. 5, no. 4, pp. 415–424, Jan. 1995.

[20] D. Perreux and F. Thiebaud, “Damaged elasto-plastic behaviour of [+ ϑ,- ϑ] n fibre-reinforced composite laminates in biaxial loading,” Compos. Sci. Technol., vol. 54, no. 3, pp. 275–285, 1995.

[21] D. Perreux and C. Suri, “A study of the coupling between the phenomena of water absorption and damage in glass/epoxy composite pipes,” Compos. Sci. Technol., vol. 57, no. 9, pp. 1403–1413, Jan. 1997.

[22] D. Perreux and C. Oytana, “Continuum damage mechanics for microcracked composites,” Compos. Eng., vol. 3, no. 2, pp. 115–122, 1993.

[23] J.-E. Lundgren and P. Gudmundson, “A Model for Moisture Absorption in Cross-Ply Composite Laminates with Matrix Cracks,” J. Compos. Mater., vol. 32, no. 24, pp. 2226–2253, Dec. 1998.

[24] J.-E. Lundgren and P. Gudmundson, “Moisture absorption in glass-fibre/epoxy laminates with transverse matrix cracks,” Compos. Sci. Technol., vol. 59, no. 13, pp. 1983–1991, Oct. 1999.

[25] J. Verdu, Action de L’eau Sur les Plastiques. Ed. Techniques Ingénieur.

[26] Y. J. Weitsman and M. Elahi, “Effects of Fluids on the Deformation, Strength and Durability of Polymeric Composites – An Overview,” Mech. Time-Depend. Mater., vol. 4, no. 2, pp. 107–126, Jun. 2000.

[27] Y. J. Weitsman, Fluid Effects in Polymers and Polymeric Composites. Springer Science & Business Media, 2011. [28] Y. Weitsman, “Coupled damage and moisture-transport in fiber-reinforced, polymeric composites,” Int. J. Solids

Struct., vol. 23, no. 7, pp. 1003–1025, 1987.

[29] D. Gueribiz, F. Jacquemin, and S. Fréour, “A moisture diffusion coupled model for composite materials,” Eur. J.

Mech. - ASolids, vol. 42, pp. 81–89, Nov. 2013.

[30] E. Joseph and D. Perreux, “Fatigue behaviour of glass-fibre/epoxy-matrix filament-wound pipes: Tension loading tests and results,” Compos. Sci. Technol., vol. 52, no. 4, pp. 469–480, Jan. 1994.

[31] S. Barré and M. L. Benzeggagh, “On the use of acoustic emission to investigate damage mechanisms in glass-fibre-reinforced polypropylene,” Compos. Sci. Technol., vol. 52, no. 3, pp. 369–376, Jan. 1994.

[32] S. Huguet, N. Godin, R. Gaertner, L. Salmon, and D. Villard, “Use of acoustic emission to identify damage modes in glass fibre reinforced polyester,” Compos. Sci. Technol., vol. 62, no. 10–11, pp. 1433–1444, Aug. 2002. [33] N. Tual, N. Carrere, P. Davies, T. Bonnemains, and E. Lolive, “Characterization of sea water ageing effects on mechanical properties of carbon/epoxy composites for tidal turbine blades,” Compos. Part Appl. Sci. Manuf., vol. 78, pp. 380–389, Nov. 2015.

[34] M. Fichera and L. A. Carlsson, “Moisture transport in unidirectional carbon/vinylester panels with imperfect fiber/matrix interface,” J. Compos. Mater., vol. 50, no. 6, pp. 751–760, Mar. 2016.

[35] C. Humeau, P. Davies, and F. Jacquemin, “Moisture diffusion under hydrostatic pressure in composites,” Mater.