Analyse du comportement mécanique d’un matériau composite à matrice PMMA et renfort tissé granulaire par technique de corrélation d’images.

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3^ème Conférence Internationale sur

le Soudage, le CND et l’Industrie des Matériaux et Alliages (IC-WNDT-MI’12) Oran du 26 au 28 Novembre 2012,

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Analyse du comportement mécanique d’un matériau composite à matrice PMMA et renfort tissé granulaire par technique de corrélation d’images.

K. Tadjine ^a,

a

Laboratoire de recherche en risques industriels, contrôle non destructif et sureté de fonctionnement. Université Badji Mokhtar - Annaba (Algérie)

Corresponding autor :

E-mail: kameltadjine@rocketmail.com

Résumé :

La présente étude concerne l'effet de l'incorporation d'une charge organique naturelle, les granulés de noyaux de dattes dans une résine de méthacrylate de méthyle comme matrice d’un composite stratifié à usage orthopédique. Le but est d'améliorer le produit existant se rapportant à la fabrication de prothèse tibiale qui présente quelques défaillances notamment des fissures transverses et une décohésion au niveau des couches.

Une étude du comportement mécanique du composite, permettra de voir l'influence de la nouvelle charge introduite et mettre en évidence le processus d'endommagement entraînant la rupture. L'analyse des résultats des essais par couplage traction - corrélation d’images menée sur cinq séries de stratifiés montre une amélioration des caractéristiques mécaniques par rapport à celles du composite de référence prouvant ainsi l’utilité de ce nouveau matériau pour consolider et renforcer certains composites dans des applications diverses.

Mots clés : noyaux de dattes, composites, comportement mécanique, corrélation d’images.

Introduction

Si les matières plastiques présentent des avantages en terme de légèreté et de coût, elles manquent cependant de rigidité. L'apport des renforts est susceptible de les ramener au niveau de compétitivité attendu [1].

Les défauts du composite de la prothèse tibiale dégradée impliquent une analyse des défaillances, conséquence des différentes sollicitations supportées par la partie tibiale durant tout le cycle de vie de la prothèse. La nature des sollicitations est déterminée à partir de l’analyse du cycle de marche sur laquelle se base le choix des essais [2][3] [4].

Une caractérisation est effectuée en flexion qui consiste à considérer le tissu comme un stratifié suivant les directions (0°), (90°) et intermédiaires (45°et – 45°) [5].

Une charge naturelle composée de

granulés de noyaux de dattes

a été introduite dans le composite orthopédique. Un composite hybride est ainsi obtenu, puis caractérisé de la même façon que le composite orthopédique. Cette étude montre les performances obtenues par cette incorporation sur le composite prothétique.

1.Mise en œuvre des matériaux :

La mise en œuvre des composites (orthopédique et hybride) est réalisée par la méthode de moulage sous vide au sac. Les stratifiés sont empilés et imprégnés à température ambiante et moulés entre moule (film PVC) et contre moule (film PVC) [6].

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 96 1.1. Composite référence (orthopédique) :

Il est constitué d'une matrice organique à base de méthacrylate de méthyle et d'un renfort tissé comprenant : un tissu de verre renforçant et un tissu perlon ayant un rôle absorbant.

1.2. Composite hybride :

Le granulé de noyau de dattes a été incorporé formant ainsi le composite hybride.

Trois phases de préparation ont été nécessaires :

- phase de préparation : lavage, séchage à l'étuve et pesage.

- Phase de concassage - Phase de tamisage

Le granulé obtenu a un diamètre médian équivalent à celui de la sphère la plus grosse passant à travers les mailles du tamis [7] :

dmoy. granulé < d moy .maille tissu (1) La finesse des granulés de noyaux de dattes

est caractérisée par le diamètre moyen [8].

Nous présentons dans le tableau 1 : les résultats du tamisage des granulés de noyaux de dattes Tableau 1. Résultats du tamisage.

Grosseurs des classes (mm)

Masses des

classes (grs)

Teneurs Classe β (%)

Teneurs accumulées Σβ en classes selon ( + )

Teneurs accumulées Σβ en classes selon ( - )

- dmax +0,208 30 27,77 27,77 99,96

- 0,208 +0,147 25 23,15 50,92 72,19

-0,147 +0,100 20 18,51 69,43 49,04

-0,100 +0,080 15 13,88 83,31 30,53

-0,080 +0,050 10 9,25 92,56 16,65

-0,05 +0,000 08 7,40 99,96 7,40

TOTAL 108 99,96 / /

La teneur en classe est déterminée par le rapport de la masse de cette classe et de la masse totale de toutes les classes [9]. Une classe représente le passant et le refus de chaque tamis.

La grosseur des granulés se caractérise par diamètre moyen (dmoy) :

(2)





 _n

i i

n i i i moy

d d

1 1



(3)

avec



i teneur en classe étroite de grosseur en %

n est le nombre de classes des grosseurs

di est le diamètre moyen arithmétique de la classe étroite en mm

dmoy = 0,12 mm dmoy est le diamètre moyen des granulés de noyaux de dattes.

Les granulés récupérés ont un diamètre minimal de 0,05mm correspondant aux mailles du dernier tamis.

Stratifications et taux de renforts de granulés de noyaux de dattes.

2. Caractérisation mécanique

L'étude de l'effet de l'incorporation des granulés de noyaux de dattes portera essentiellement sur le comportement mécanique de la structure par l’évolution de la contrainte de rupture en traction des différents stratifiés du composite.

2. Dispositif expérimental

La machine d'essai universel utilisée est un équipement de marque Zwick modèle 1050 de capacité maximale de 100 KN. La vitesse de déplacement de la traverse est de 2mm/mn imposée directement au programme d'essai selon la norme NFT 51-034.

2.1. Confection des échantillons

La géométrie et les dimensions des éprouvettes de traction ont été découpées selon les recommandations de la norme NF EN ISO 527.

Le tableau 2 présente les différentes compositions des éprouvettes.

Quatre séries d'échantillons énumérés de A à D ont été mises en œuvre, chacune dispose d'un nombre de cinq éprouvettes de différentes

Tableau 2. Composition des éprouvettes

composition Type de composites Type de renforcement Taux charge (%)

série A

Hydride sans colorant Résine MMA

O 2 couches tricot perlons symétriques

02 couches tissu de verre 10 série B Orthopédique

Résine MMA

O 1 couches de tricot perlon symétrique

01 couches tissu de verre série C Orthopédique

Résine MMA

O 2 couches de tricot perlons symétriques

02 couches tissu de verre

(4)

http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 98 série D

Hydride Avec colorant Résine MMA

O 2 couches de tricot perlons symétriques

02 couches tissu de verre 05

2.2. Résultats des essais expérimentaux

Les histogrammes de la figure 1 expliquent les différentes performances.

Figure 1. Contrainte à la rupture en traction longitudinale en fonction de la nature du matériau.

Ils montrent bien l'effet positif de l'incorporation des granulés de noyaux de dattes (série A et série D) par rapport aux éprouvettes de la série C. Cependant plusieurs considérations expliquent cette performance 3. Analyse de l’effet de l’incorporation des granulés de noyaux de dattes.

3.1. Influence de la séquence d'empilement du stratifié :

Les résultats enregistrés montrent que plus le nombre de couches du stratifié augmente plus l’influence est importante sur les caractéristiques mécaniques (série B, C).

En plus du rôle renforçant connu du tissu de verre, le tissu de perlon considéré uniquement comme absorbant, permet également une amélioration des caractéristiques mécaniques (tableau 3).

Tableau 3. Influence du nombre de plis sur les caractéristiques mécaniques du stratifié orthopédique Type de série Nombre de plis Limite rupture (MPa) Limite élastique (MPa) Série B 01 pli tissu perlon

01 pli tissu de verre

14,63 30,89

Série C 02 plis tissu perlon 02 plis tissu de verre

27,83 32,90

3.2. Influence de l'incorporation du GND (Granulés de Noyaux de Dattes) :

0 5 10 15 20 25 30 35

SERIE A SERIE B SERIE C SERIE D

contraintes MPa

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 99 Deux taux de charge respectivement 5% et 10% en granulés ont été incorporés pour constituer les séries A et D dont les résultats des caractéristiques mécaniques sont résumés dans le tableau 4.

Tableau 4. Influence du taux de charge de (granulés de noyaux de dattes).

Type de série Taux charge

Nombre de plis Limite de rupture (MPa)

Limite élastique (MPa)

Série A 10% 02 plis tissu perlon symétriques

02 plis tissu de verre 10grs de granulés

29,628 31,63

Série D 05% 02 plis tissu perlon symétriques

02 plis tissu de verre + 05 grs GND

28,85 34,026

Une amélioration de la résistance à la rupture et de la limite élastique au niveau des séries A et D du stratifié a été obtenue.

3.3. Influence de la qualité d'imprégnation

La diffusion de la résine est spontanée quand l'énergie spécifique de surface du solide est supérieure à la somme de celle du liquide et de l'interface liquide/solide [10].

Le volume des fibres est susceptible de varier localement en fonction de la pression appliquée sous l’influence des pressions capillaires ΔPC , l'intégration de la loi de Darcy permet d'exprimer le temps d'imprégnation par [11]

 

) (

g c a

f

imp K P P P

V

t

L







 

2

1

²



(4) Pa

pression mécanique appliquée ;Pg pression du gaz au devant du front d’infiltration ; ΔPc pression capillaire ;Vf Volume des fibres ;K perméabilité du milieu ;L longueur des fibres imprégnées et η viscosité de la résine

La fabrication du composite hybride est similaire à celle du composite orthopédique auquel on a incorporé dans le mélange résine durcisseur, le granulé de noyaux de dattes. La comparaison des images MEB du composite hybride et une micrographie d'un entremêlé de fibres de carbone et de polyamide montre que la consolidation fibres de Carbone/polyamide expérimenté par [12] Bernet où l'imprégnation en polyamide n’étant pas uniformément repartie (figure 2).

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Figure 2. Micrographie d'un Figure 3. Micrographie d'un entremêlé de

entremêlé fibres de carbone fibres tissu de verre sergé et de poudre de Polyamide noyaux de dattes observés au MEB

Au niveau du composite hybride de l'étude, la figure 3 montre une répartition homogène et uniforme des

granulés de noyaux de dattes.

En dépit des dispersions, les résultats sont prometteurs :

Les causes de ces dispersions peuvent être de différentes sortes similaires aux observations constatées lors des essais effectués par [13] Benzeggagh et autres auteurs [14] [15].

En dépit des dispersions dues aux conditions de fabrication en atelier, les différentes éprouvettes présentent dans leur ensemble un processus d'endommagement propre aux stratifiés conduisant à un délaminage [16].

Il y a lieu de prendre en considération le phénomène d’entremêlement des granulés de noyaux de dattes autour des mèches de tissu dans le cas du composite hybride à renforts granulés et tissés comme l’illustre les figures 4 et 5.

Figure 4. Faciès de rupture du Figure 5. Faciès de rupture

composite du prothétique composite hybride La figure 4 montre la fractographie de l’échantillon du composite prothètique. Il apparaît

une décohésion des fibres du tissu de verre et illustre la rupture de fibres en transverse.

La figure 5 montre le faciès de rupture de l’échantillon hybride. Il apparaît dans l’image une consolidation due aux granulés de noyaux de dattes.

Les fibres apparaissent bien entremêlées. Ce phénomène est responsable du comportement mécanique de ce matériau

4. Analyse de l’endommagement par technique d'analyse d'images :

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 101 La technique de corrélation d’images donne accès aux mesures des champs de déplacement et de déformation des éléments de surface de l’éprouvette.

Les étapes les plus importantes dans la technique de traitement d’images sont :

- L’acquisition numérique d’images par un dispositif d’acquisition d’images numériques associé au système d’essai de traction

- Les opérations traitées par le logiciel 7 D [17] consistent à corréler des images sur la phase d’endommagement du matériau étudié, en extraire et visualiser les différentes données qui sont les champs de déplacement dans notre cas.

La méthode de corrélation d’images consiste alors à calculer les champs de déplacement entre deux images de l’échantillon [18] [19].

Le tableau 5 dont les résultats sont issus de l’essai de traction couplé à la corrélation d’images donne un aperçu sur le comportement mécanique des différents matériaux de l’étude en déplacement suivant les axes de sollicitation des matériaux en fonction de leur constitution.

Série Déplacement suivant x (1) pixels

Déplacement suivant x (2) pixels

Déplacement suivant y pixels

Série B 3,2026 14,995

Série C

3,8798 1,5369 46,974

Série D

17,81 0,0837

Série A

- 0,38085 21,883

Tableau 5. Valeurs des champs de déplacements suivant x et y

Dans les catégories des composites série B et C, les champs de déplacement sont importants en fonction du nombre de couches de tissus (verre et perlon).

Suivant l’axe x, il y a augmentation du déplacement en passant d’une couche de tissu de verre à un nombre de deux couches (voir tableau 5)

14,995 1,5369 3,8798 17,81

Composite Série B Composite Série C Composite Série D

Figure n° 6 : évolution des champs de déplacement par corrélation d’images

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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 102 5. Conclusion :

L'incorporation de la poudre de noyaux de dattes a eu comme effet une augmentation des caractéristiques mécaniques. Les résultats obtenus sont uniquement issus des essais de traction. D'autres expérimentations (flexion en statique et dynamique) sont en cours pour tester l'impact de l'incorporation par rapport à d'autres charges. Cette application peut être étendue à d'autres domaines, notamment le biomédical (prothèse dentaire).

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