Modélisation et contrôle de santé des materiaux composites hybrides à propriétés adaptables

Texte intégral

(1)REPUBLIQUE ALGERIENNE DEMOCRATIQUE ET POPULAIRE MINISTERE DE L’ENSEGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE. UNIVERSITE MENTOURI CONSTANTINE FACULTE DES SCIENCES DE L’INGENIEUR DEPARTEMENT DE GENIE MECANIQUE. N° d’ordre : Série :. THESE EN VUE DE L’OBTENTION DU DIPLOME DE DOCTORAT EN SCIENCES EN GENIE MECANIQUE OPTION : CONSTRUCTION. THEME MODELISATION ET CONTROLE DE SANTE DES MATERIAUX COMPOSITES HYBRIDES A PROPRIETES ADAPTABLES : MATERIAUX INTELLIGENTS, SOUS L’EFFET DES EFFORTS EXTERIEURS. PRESENTEE PAR:. Mohamed Lakhdar SAHLI Soutenu le :. /10/2009 devant le jury :. Président : Mr. A.BOUCHOUCHA Rapporteur : Mr. B.NECIB Examinateurs : Mr. F. MILI Mr. K. CHAOUI Mr. H. ZEDIRA Invité : Mr. H. BASSIR. (Prof.) (Prof.) (Prof.) (Prof.) (M.C.) (M.C.). Université Mentouri Constantine Université Mentouri Constantine Université Mentouri Constantine Université Badji Mokhtar Annaba Université de Khenchela Université Deft Pays-Bas.

(2) Remerciements. Remerciements Je voudrais en tout premier lieu remercier chaleureusement mon directeur de thèse, M. Necib Brahim, qui a suivi et encadre ce travail avec intérêt et disponibilité. Je le remercie aussi de m’avoir initie avec autant de talents au travail de la recherche. Ces compétences ont fait de ces années les plus riches en enseignement de mon cursus. Enfin, je le remercie d’avoir montré aux bons moments les qualités humaines qui font la personne que l’on n’oublie pas. Je remercie chaleureusement Monsieur A. Bouchoucha, Professeur à l’Université de Constantine, pour m'avoir fait l'honneur d'être président de mon jury de thèse et d'accepter cette tache souvent longue et difficile. Je remercie également Messieurs F. Mili, Professeur à l’Université de Constantine, K. Chaoui, Professeur à l’université de Annaba, H. Zedira, Maitre des conférences à l’Université de Khenchela, pour leur participation au jury de thèse. Je les prie de croire à ma respectueuse reconnaissance. A tous ceux qui ont consacre du temps pour une relecture attentive de cette thèse et m'ont apporté leurs remarques et leurs judicieux conseils. À chacun, je vous exprime ma gratitude. Je remercie toutes les personnes qui à un moment ou à un autre ont fait avancer mon travail : Christian Lexcellent Professeur à l’Université de Franche-Comté (France), pour les discussions enrichissantes et son aide intellectuelle malgré ses nombreuses responsabilités. Qu'il trouve dans ce travail, ma profonde gratitude vis-à-vis les connaissances qu'il m'a apportées. Hichem Bassir, Maitre de conférences à Delft University of Technology (Netherlands) pour toutes ses précieuses contributions pour ce travail. Qu'il sache que je serais toujours reconnaissant pour la qualité remarquable de ses commentaires dont il m'a fait bénéficier mais aussi pour sa patience, sa disponibilité et sa bonne humeur. Mes mots vont aussi vers mes amis, Abdelazize, Abderezak, Abdelhafid, Abdelhak, Abdelatif, Hassan, Mouloud, Omar, Rachid, Salim, Samir et Tahar dont leur sourire restera éternellement gravé dans ma mémoire en souvenir des instants magiques et intenses que nous avons vécus ensemble. Les dernières lignes sont réservées à mes parents, à mes frères et à mes sœurs, vous m’avez apporté amour, réconfort et paix depuis toutes ces années. Je ne sais comment vous dire toute la gratitude que je peux avoir et toujours l'éternel même mot, "Merci !". Ma mère & mon père, vous êtes les meilleurs parents qu’un être humain peut avoir dans sa vie. Enfin merci à tous ceux dont je n’ai pas cite le nom mais que je n’oublie pas pour autant.. Université Mentouri – Constantine. 3.

(3) Modélisation et contrôle de santé des matériaux composites hybrides à propriétés adaptables : Matériaux intelligents, sous l’effet des efforts extérieurs. Ce travail de recherche traite la modélisation, l'élaboration et la caractérisation de nouveau matériau à propriétés adaptatives encouragée par la demande incessante de fiabilité accrue. Dans ce contexte, des matériaux adaptables à matrice époxy dans lesquelles se trouvent des fils d'alliage a mémoire de forme TiNi sont développés. La première partie consiste à étudier les alliages à mémoire de forme (AMF) utilisés en tant qu'actionneurs dans les matériaux adaptables. Parmi les AMF, l'alliage de nickel-titane (TiNi) est notamment un très bon candidat au actionnement, car il est capable de développer un travail mécanique très important, en comparaison avec d'autres matériaux actifs. Une caractérisation microstructurale et mécanique des fibres AMF est effectuée. Les évolutions de la microstructure de la surface des fils TiNi et les températures de transformation martensitique au cours des différentes étapes de traitements thermiques sont étudiées. La morphologie de surface des fibres AMF à été examinée par la microscopie électronique à balayage (MEB). Aussi les propriétés thermomécaniques des alliages à mémoire de forme, ont été caractérisées et discutées. Dans la deuxième partie de ce travail, nous nous intéresserons à la réalisation des matériaux adaptables élaborés à partir d’une matrice organique renforcée par des fibres d’AMF. En fait l’ajout de fils d’AMF permet d’adapter la structure à de nouvelles conditions d’usage. Ils peuvent aussi conduire à la diminution des contraintes sur une structure déformée pour récupérer cette forme initiale à partir d’un contrôle de forme assurer par des éléments piézoélectrique. Cette fonction est réalisable par l’intégration des capteurs piézoélectriques à la surface de la structure adaptable pour but de prouver leur fiabilité. Les propriétés élastiques de matériaux adaptables particulaires à matrice polymère sont ainsi analysées. Finalement, cette méthodologie expérimentale rigoureuse et pertinente a pour but de caractériser les phénomènes observés et ainsi modéliser les structures intelligentes. L'objectif général du travail de cette thèse s'inscrit dans le cadre du développement de matériaux intelligents à propriétés adaptables inédites. Le deuxième volet comporte les simulations numériques du comportement macroscopique de quelques structures adaptables particulières, en l'occurrence : les poutres monomorphe en Al/PZT (en flexion) et les structures minces adaptables (en traction, crash et impact). Ces simulations trouvent un intérêt pour de nouvelles applications dans ce type de structures, notamment l'aéronautique, l'automobile et le contrôle des vibrations. Une comparaison entre les modèles établis et les mesures expérimentales est également présentée. Les simulations numériques, qui ont été mise en œuvre en parallèle ont été corrélée aux résultats analytiques et/ou expérimentaux, afin de prédire les propriétés finales de nos matériaux. Ces résultats positifs ouvrent des perspectives d'évolution décrites en conclusion.. Mots-clés : Matériaux intelligents, alliages à mémoire de forme, transformation martensitique, matériaux piézoélectriques, calorimétrie différentiel à balayage, crash, impact, simulations numériques, éléments finis..

(4) Modelling and monitoring of hybrid composite materials adaptable properties: Smart materials, under the effect of an external loads This work talks about the development of new adaptive material prompted by the necessity to increase reliability. In that way micronic TiNi shape memory alloy wires have been incorporated in an epoxy matrix in order to develop adaptable materials. The first part consists to study the shape memory alloys (SMA) used as actuators in adaptable materials. Among the SMA the nickel-titanium alloy (TiNi) is a very good material useful in particular for actuation. It is able to provide a very important mechanical work in comparison with the other active materials. Micro-structural and mechanical characterisations of the SMA have been performed. The micro-structural analyses of the TiNi wires surface and martensitic transformation temperatures during the different steps of the heat treatments have been performed. The surface morphology of the SMA wires was observed by scanning electron microscopy (SEM). Therefore, the thermo-mechanics properties of the SMA were characterized and discussed. In the second part of this work, we will focus on the achievement of a materials suitable produced from an organic matrix reinforced by SMA wires. In fact the addition of SMA allows the structure to adapt to new conditions of use. They may also lead to the lessening of constraints on a deformed adaptable structure to recover the original form from a control is ensured by piezoelectric elements. This is achieved by the integration of piezoelectric sensors to the surface of the structure intended to prove their reliability. The elastic properties of particulate adaptable materials with epoxy matrix are analyzed. Finlay, this a rigorous and relevant experimental methodology has for aim to characterize the phenomena observed and thus to model the smart structures. The aim of this work deals with the development of smart materials with innovative adaptable properties. The concern of the second constituent of this thesis is the digital simulations of the macroscopic behaviour of some particular adaptable structures, in the particular: the cantilever Al/PZT beam (in bending) and the Adaptable thin structures (in tension, crash and impact). The results of these simulations open the door to new perspectives; in particular, aeronautic, the automotive industry and the vibrations control applications. A comparison between models and measurements is also reported. Numerical simulations have been conducted and correlated with the experimental and/or analytical results to predict final properties of our materials. These positive results open up possibilities of future developments described in conclusion.. Key-words: Smart materials, shape memory alloy, martensitic transformation, piezoelectric materials, Differential scanning calorimetry, crash, impact, numerical simulations, finite-element..

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(15) Sommaire. SOMMAIRE. Université Mentouri – Constantine. 7.

(16) Sommaire. INTRODUCTION GENERALE .......................................................................................... 24. CHAPITRE I : MATERIAUX INTELLIGENTS : ÉTAT DE L’ART ...................................... 29. I.1 MISE EN SITUATION .................................................................................................. 30 I.2. MATERIAUX ET STRUCTURES INTELLIGENTS.......................................................... 32 I.2.1 DEFINITION ............................................................................................................ 33 I.2.2 DESCRIPTION DES ELEMENTS............................................................................... 35 I.2.2.1 FONCTION CAPTEUR ........................................................................................... 35 I.2.2.2 FONCTION MEMOIRE ET PROCESSEUR .............................................................. 36 I.2.2.3 FONCTION ACTIONNEUR ..................................................................................... 36 I.2.3 MATERIAUX INTEGRES DANS LES SYSTEMES INTELLIGENTS ............................... 37 I.2.3.1 ALLIAGES A MEMOIRE DE FORME ...................................................................... 37 I.2.3.2 MATERIAUX MAGNETOSTRICTIFS ....................................................................... 38 I.2.3.3 MATERIAUX PIEZOELECTRIQUES ....................................................................... 38 I.3 MATERIAUX ET STRUCTURE ADAPTABLE ................................................................. 40 I.4 MATERIAUX ET STRUCTURE SENSIBLES .................................................................. 41 I.5 MATERIAUX ET STRUCTURE ADAPTATIF………….……………………..………………………42 I.6 INTERET DU THEME ET PRINCIPE DE LA STRUCTURE COMPOSITE HYBRIDE ADAPTABLE.................................................................................................................... 44. CHAPITRE II : LES ALLIAGES A MEMOIRE DE FORME AMF........................................ 45. II.1 NTRODUCTION ......................................................................................................... 46 II.2 LES ALLIAGES A MEMOIRE DE FORME.................................................................... 47 II.3 LA TRANSFORMATION MARTENSITIQUE .................................................................. 48 II.3.1 DEFINITION DE LA TRANSFORMATION MARTENSITIQUE...................................... 48 II.3.2 ASPECTS GENERAUX DE LA TRANSFORMATION MARTENSITIQUE ....................... 49 II.3.3 ASPECT THERMODYNAMIQUES DE LA TRANSFORMATION MARTENSITIQUE ....... 50 Université Mentouri – Constantine. 8.

(17) Sommaire II.3.4 ASPECT MECANIQUE SUR LA TRANSFORMATION MARTENSITIQUE ..................... 52 II.3.5 ASPECT MICRO STRUCTURAL ............................................................................... 53 II.3.5.1 REORIENTATION DES VARIANTES PAR L’APPLICATION DE CONTRAINTE........... 53 II.3.5.2 CLASSIFICATION DES TRANSFORMATIONS MARTENSITIQUES .......................... 55 II.4 PROPRIETES THERMOMECANIQUES DES ALLIAGES A MEMOIRE DE FORME......... 56 II.4.1 PSEUDO-ELASTICITE ............................................................................................ 56 II.4.1.1 EFFET SUPER-ELASTIQUE ................................................................................. 56 II.4.1.2 EFFET CAOUTCHOUTIQUE................................................................................. 59 II.4.2 LES EFFETS MEMOIRE DE FORME ....................................................................... 60 II.4.2.1 EFFET MEMOIRE DE FORME SIMPLE SENS....................................................... 60 II.4.2.2 EFFET MEMOIRE DE FORME DOUBLE SENS ..................................................... 62 II.4.3 LES CAPACITES D’AMORTISSEMENT DES AMF ..................................................... 63 II.4.4 CONTRAINTE DE RESTAURATION ......................................................................... 64 II.5 FAMILLES D’ALLIAGES A MEMOIRE DE FORME....................................................... 65 II.5.1 LES ALLIAGES DE NICKEL – TITANE (TINI) ........................................................... 65 II.5.2 LES ALLIAGES CUIVREUX ..................................................................................... 66 II.6 DOMAINES D’APPLICATION ...................................................................................... 67 II.6.1 APPLICATIONS MEDICALES................................................................................... 67 II.6.2 APPLICATIONS AEROSPATIALE.............................................................................. 71 II.6.3 APPLICATIONS DANS LA ROBOTIQUE ................................................................... 73 II.6.4 APPLICATIONS INDUSTRIELLES ............................................................................ 74 II.7 CONCLUSION ........................................................................................................... 75. CHAPITRE III : CERAMIQUES PIEZOELECTRIQUES PZT.............................................. 76. III.1 HISTORIQUE ET DEFINITION DE LA PIEZOELECTRICITE ........................................ 77 III.2 LA PIEZOELECTRICITE............................................................................................ 77 III.3 L’ORIGINE DE L’EFFET PIEZOELECTRIQUE ............................................................ 79 III.4 POLARISATION DES MATERIAUX FERROELECTRIQUES ......................................... 81 III.5 MATERIAUX PIEZOELECTRIQUES ........................................................................... 82 Université Mentouri – Constantine. 9.

(18) Sommaire III.5.1 POLYMERES PIEZOELECTRIQUES ....................................................................... 82 III.5.2 CERAMIQUES MASSIVES ..................................................................................... 82 III.5.3 LES CRISTAUX ..................................................................................................... 82 III.6 CHOIX DU MATERIAU PIEZOELECTRIQUE .............................................................. 83 III.7 ÉQUATIONS CONSTITUTIVES DE LA PIEZOELECTRICITE ....................................... 84 III.8 MODES DE VIBRATION ........................................................................................... 85 III.9 DISPOSITIFS PIEZOELECTRIQUES ET LEURS APPLICATIONS ................................. 86 III.9.1 REDUCTION DES VIBRATIONS D'UN BRAS DE SATELLITE ................................... 86 III.9.2 MICRO-COMMUTATEURS ..................................................................................... 87 III.9.3 MICRO-POMPES ................................................................................................... 88 III.9.4 MICRO-PINCES ACTIONNEES PAR DES MATERIAUX PIEZOELECTRIQUES .......... 89 III.9.5 MICRO-ROBOTS PIEZOELECTRIQUES.................................................................. 90 III.9.6 CHAUSSURE PIEZOELECTRIQUE DEVELOPPEE PAR LE M.I.T ............................. 91 III.10 CONCLUSION ........................................................................................................ 92. CHAPITRE IV CARACTERISATION THERMOMECANIQUE DU MATERIAU ADAPTABLE ... IV.1 L’ALLIAGE A MEMOIRE DE FORME DE TYPE TINI ................................................... 94 IV.1.1 PRESENTATION ET CARACTERISTIQUES INITIALES............................................. 94 IV.1.2 DIAGRAMME D’EQUILIBRE .................................................................................. 95 IV.1.3 CARACTERISATION THERMIQUE DE TRANSFORMATION MARTENSITIQUE ......... 96 IV.1.3.1 ANALYSE CALORIMETRIQUE PAR DSC .............................................................. 97 IV.1.3.2 INFLUENCE DES TRAITEMENTS THERMIQUES SUR LA TRANSFORMATION ..... 98 IV.1.3.3 EVOLUTION DES PROPRIETES DE LA TRANSFORMATION................................102 IV.1.3.3.1 TEMPERATURE DES PICS..............................................................................102 IV.1.3.3.2 L’ETALEMENT EN TEMPERATURE DE TRANSFORMATIONS ..........................102 IV.1.3.3.3 L’HYSTERESIS EN TEMPERATURE ................................................................103 IV.1.4 CARACTERISATION THERMOMECANIQUE D’UN ALLIAGE TINI...........................104 IV.1.4.1 EFFET DES TRAITEMENTS THERMOMECANIQUES SUR LA TRANSFORMATION MARTENSITIQUE ...........................................................................................................104 Université Mentouri – Constantine. 10.

(19) Sommaire IV.1.4.2 LES TRAITEMENTS THERMOMECANIQUES APPLIQUES SUR LES FILS TINI .....106 IV.1.4.3 EVOLUTION DE LA MICROSTRUCTURE LORS DE TRAITEMENTS THERMIQUES . .. IV.1.5 ANALYSE EXPERIMENTALE DU COMPORTEMENT MECANIQUE PAR TRACTION.112 IV.1.5.1 PROTOCOLE DES ESSAIS.................................................................................112 IV.1.5.2 COMPORTEMENTS MECANIQUES DES ALLIAGES TINI A DES TEMPERATURES DETERMINEES PAR L’ANALYSE DSC .............................................................................112 IV.2 CHOIX ET DE LA MATRICE DU MATERIAU ADAPTABLE .........................................113 IV.3 PRESENTATION DES MATERIAUX ADAPTABLES UD TINI/EPOXY ..........................114 IV.3.1 ELABORATION DES MATERIAUX ADAPTABLES TINI/EPOXY ...............................116 IV.3.2 ALIGNEMENT DES FIBRES AMF ..........................................................................117 IV.4. CARACTERISATION. DU. COMPORTEMENT. MECANIQUE. DES. MATERIAUX. ADAPTABLES.................................................................................................................117 IV.4.1 EPROUVETTE DE TRACTION ...............................................................................117 IV.4.2 PROCEDURE EXPERIMENTALE ...........................................................................117 IV.4.3 RESULTATS EXPERIMENTAUX ET INTERPRETATIONS ........................................119 IV.4.3.1 ESSAIS DE TRACTION ......................................................................................119 IV.4.3.2. ETAT. MICROGRAPHIQUE. DE. L'INTERFACE. FIBRE/MATRICE. DANS. LES. MATERIAUX ADAPTABLES.............................................................................................122 IV.5 CONCLUSION .........................................................................................................126. CHAPITRE V : MODELISATION NUMERIQUE DU COMPORTEMENT MECANIQUE DE STRUCTURES MINCES EN MATERIAUX ADAPTABLES DE TYPE TINI/EPOXY ...........127. V.1 SIMULATION NUMERIQUE PAR ELEMENTS FINIS DU COMPORTEMENT MECANIQUE DES FILS AMF ...............................................................................................................128 V.1.1 LOI DE COMPORTEMENT ....................................................................................128 V.1.2 HYPOTHESES DE SIMULATION ............................................................................129 V.1.3 RESULTAT DE LA SIMULATION ............................................................................130 V.1.3.1 EFFET MEMOIRE DE FORME ............................................................................130 V.1.3.2 EFFET SUPERELASTIQUE .................................................................................131 V.1.4 VALIDATION DES RESULTATS DE LA SIMULATION SUR UN FIL AMF ...................135 Université Mentouri – Constantine. 11.

(20) Sommaire V.1.4.1 EFFET MEMOIRE DE FORME ............................................................................135 V.1.4.2 EFFET SUPERELASTIQUE .................................................................................135 V.2 SIMULATION NUMERIQUE DU COMPORTEMENT MECANIQUE D'UN MATERIAU ADAPTABLE TINI/EPOXY...............................................................................................137 V.2.1 CONSTRUCTION DU MODELE ..............................................................................137 V.2.2 HYPOTHESE DE SIMULATION ..............................................................................137 V.2.3 ANALYSE DES RESULTATS DE LA SIMULATION ...................................................139 V.2.3.1 ESSAI DE TRACTION UNI AXIAL ........................................................................139 V.2.3.2 VALIDATION EXPERIMENTALE ..........................................................................142 V.3 VALIDATION SUR DES PROCEDES INDUSTRIELLS..................................................142 V.3.1 MODELISATION NUMERIQUE DE L’ECRASEMENT PROGRESSIF DES TUBES ......143 V.3.1.1 DESCRIPTION GEOMETRIQUE ET CONDITIONS AUX LIMITES ..........................143 V.3.1.2 RESULTATS DE SIMULATION DE L’ECRASEMENT PROGRESSIF D’UN TUBE EN LAITON ..........................................................................................................................145 V.3.1.3 VALIDATION EXPERIMENTALE ..........................................................................146 V.3.1.4 RESULTATS DE SIMULATION DE L’ECRASEMENT PROGRESSIF D’UN TUBE EN TINI/EPOXY...................................................................................................................146 V.3.2 MODELISATION NUMERIQUE D’UNE PLAQUE ADAPTABLE TINI/EPOXY ..............150 V.3.2.1 DESCRIPTION GEOMETRIQUE ET CONDITIONS AUX LIMITES ..........................150 V.3.2.2 RESULTATS DE LA SIMULATION .......................................................................151 V.4 CONCLUSION ..........................................................................................................156. CHAPITRE VI : CONTROLE DE SANTE DES STRUCTURES ADAPTABLES PAR CAPTEURS PIEZOELECTRIQUES …………………………………………………………………..157. VI.1 LA SURVEILLENCE PAR CAPTEURS PIEZOELECTRIQUES ......................................158 VI.2 CHOIX DES TRANSDUCTEURS PIEZOELECTRIQUES ............................................161 VI.3 FORMULATION THEORIQUE DE LOI DE COMPORTEMENT PIEZOELECTRIQUE.....162 VI.4 MODELISATION PAR ELEMENTS FINIS...................................................................165 VI.4.1 POUTRE EN ALUMINIUM DE TYPE ENCASTREE-LIBRE .......................................166 VI.4.1.1 HYPOTHESE ET CONDITIONS AUX LIMITES .....................................................166 Université Mentouri – Constantine. 12.

(21) Sommaire VI.4.1.2 RESULTATS DE LA SIMULATION ......................................................................168 VI.4.1.3 VALIDATION DU MODELE ................................................................................169 VI.4.2 STRUCTURE MINCE EN MATERIAU ADAPTABLE TINI/EPOXY .............................170 VI.4.2.1 HYPOTHESE ET CONDITIONS AUX LIMITES .....................................................170 VI.4.2.2 RESULTATS DE LA SIMULATION ......................................................................171 VI.4.2.2.1 SENSIBILITE A L’EMPLACEMENT DU CAPTEUR PZT ......................................171 VI.4.2.2.2 SENSIBILITE AUX PROPRIETES PIEZOELECTRIQUES DES CAPTEURS PZT ...173 VI.5 CONCLUSION .........................................................................................................177. CONCLUSION GENERALE ..............................................................................................179. REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES ...............................................................................182. Université Mentouri – Constantine. 13.

(22) Liste des figures. LISTE DES FIGURES. Université Mentouri – Constantine. 14.

(23) Liste des figures. LISTE DES FIGURES FIGURE I.1 : (A) ALPHAJET E [AIR 04], (B) LOCALISATION DES DOMMAGES DE LA VOILURE ALPHAJET ......... 30 FIGURE I.2 : MATERIAU A BASE DE FIBRES ACTIVES ........................................................................................ 31 FIGURE I.3 : LES COMPOSANTES DE BASE D'UNE STRUCTURE INTELLIGENTE............................................... 33 FIGURE I.4 : STRUCTURES INTELLIGENTES [GOB 91, MEA 93].......................................................................... 34 FIGURE I.5 : ANALOGIE ENTRE UNE STRUCTURE BIOLOGIQUE (CORPS HUMAIN) ET UN MATERIAUSTRUCTURE INTELLIGENTE ................................................................................................................................. 35 FIGURE I.6 : EXEMPLE D’UN MATERIAU ADAPTATIF : POUTRE ENCASTREE/LIBRE......................................... 36 FIGURE I.7 : EXEMPLES DES ALLIAGES A MEMOIRE DE FORME ...................................................................... 38 FIGURE I.8 : DISPOSITIFS MAGNETOSTRICTIFS ................................................................................................. 38 FIGURE I.9 : COMPOSANTS PIEZOELECTRIQUES ............................................................................................... 39 FIGURE I.10 : CONTROLE DU DELAMINAGE DANS LES MATERIAUX COMPOSITES PAR DES ELEMENTS EN ALLIAGES A MEMOIRES DE FORME..................................................................................................................... 40 FIGURE I.11 : CONTROLE DE SANTE DES AILES D’AVION PAR ELEMENTS PIEZOELECTRIQUES..................... 41 FIGURE I.12 : PASTILLES PIEZOELECTRIQUES INTEGREES DANS UNE CHAUSSURE [SHE 01]........................ 41 FIGURE I.13 : GARNITURE DE PLAFOND D’UN VEHICULE INDIVIDUEL EQUIPE DE CAPTEURS PZT DISTRIBUES, D’APRES H. HANSELKA [HAN 99C] ................................................................................................. 42 FIGURE I.14 : MESURE DES DEFORMATIONS MICROSCOPIQUES PAR CAPTEURS PIEZOELECTRIQUES SUR LES SURFACES D’UN PONT .................................................................................................................................. 43 FIGURE I.15 : TEESHIRT INTELLIGENT ............................................................................................................... 44 FIGURE II.1 : SCHEMA REPRESENTATIF DE L’EFFET MEMOIRE DE FORME [HOM 91]..................................... 46 FIGURE II.2 : CHASSEUR AMERICAIN F14 [DRE 05] ........................................................................................... 47 FIGURE II.3 : REPRESENTATION SCHEMATIQUE DE LA TRANSFORMATION MARTENSITIQUE [GUE 95] ......... 50 FIGURE II.4 : TRANSFORMATION EN VARIANTES AUTO-ACCOMMODANTES DE MARTENSITE......................... 50 FIGURE II.5 : HYSTERESIS EN TEMPERATURE DE LA TRANSFORMATION MARTENSITIQUE ............................ 51 FIGURE II.6 : SEQUENCE DES MICROGRAPHIES MONTRANT LA TRANSFORMATION INVERSE ET DIRECTE DANS UN ALLIAGE FE-NI-CO-TI D’APRES HORNBOGEN ET JOST [HOM 91] ....................................................... 51 FIGURE II.7 : VARIATION DE LA TEMPERATURE DE TRANSFORMATION AVEC L’APPLICATION D’UNE CONTRAINTE ......................................................................................................................................................... 52 FIGURE II.8 : APPARITION D’UNE VARIANTE DE MARTENSITE PAR L’APPLICATION D’UNE CONTRAINTE (A=AUSTENITE, MI=PREMIERE VARIANTE MARTENSITIQUE)............................................................................... 54 FIGURE II.9 : DECOMPOSITION DES ETAPES SUCCESSIVES DE LA TRANSFORMATION MARTENSITIQUE : (A) DEFORMATION DE BAIN, (B) DEFORMATION A RESEAU INVARIANT (CISAILLEMENT PAR GLISSEMENT ET PAR MACLAGE), (C) ROTATION ..................................................................................................................................... 54 FIGURE II.10 : CYCLES DES TRANSFORMATIONS THERMIQUES DES ALLIAGES FE-NI ET AU-CD [FUN 87] .... 55 FIGURE II.11 : CLASSIFICATION DES TRANSFORMATIONS MARTENSITIQUE : (A) TRANSFORMATION PAR BRUST, (B) TRANSFORMATION THERMO-ELASTIQUE A FAIBLE ETALEMENT ET (C) TRANSFORMATION THERMO-ELASTIQUE A FORT ETALEMENT.......................................................................................................... 56 Université Mentouri – Constantine. 15.

(24) Liste des figures FIGURE. II.12. :. COUBRE. DE. TRACTION. D'UNE. EPROUVETTE. MONOCRISTALLINE. PENDANT. LA. TRANSFORMATION SOUS CONTRAINTE A TEMPERATURE CONSTANTE ............................................................. 57 FIGURE II.13 : DIAGRAMME D'ETAT POUR LA TRANSFORMATION AUSTENITE/MARTENSITE.......................... 58 FIGURE II.14 : COMPARAISON DE L'EFFET SUPER-ELASTIQUE SUR UN ECHANTILLON POLYCRISTALLIN ET MONOCRISTALLIN................................................................................................................................................. 59 FIGURE II.15 : ILLUSTRATION DE L’EFFET CAOUTCHOUTIQUE EN TRACTION ................................................. 60 FIGURE II.16 : EFFET CAOUTCHOUTIQUE .......................................................................................................... 60 FIGURE II.17 : L’EFFET MEMOIRE RESIDE DANS LE MOUVEMENT COLLECTIF DES ATOMES LORS DE LA TRANSFORMATION MARTENSITIQUE ET DANS LA CAPACITE DE LA MARTENSITE DE SUBIR D’IMPORTANTES DEFORMATIONS.................................................................................................................................................... 61 FIGURE II.18 : EFFET MEMOIRE SIMPLE SENS : CYCLE THERMOMECANIQUE ................................................ 61 FIGURE II.19 : REPRESENTATION SCHEMATIQUE DE L’EFFET MEMOIRE SIMPLE ........................................... 62 FIGURE II.20 : REPRESENTATION SCHEMATIQUE DE L’EFFET MEMOIRE DOUBLE ......................................... 62 FIGURE II.21 : DIMINUTION DE L'AMPLITUDE D'UNE OSCILLATION MECANIQUE DUE AU FROTTEMENT INTERNE DANS UN SOLIDE .................................................................................................................................. 63 FIGURE II.22 : VARIATION DU FROTTEMENT INTERNE EN FONCTION DE L'ETAT DU MATERIAU .................... 64 FIGURE II.23 : ILLUSTRATION DE LA CONTRAINTE DE RESTAURATION............................................................ 64 FIGURE II.24 : CLASSIFICATION DE LA FAMILLE DES ALLIAGES A BASE CUIVRE ............................................ 66 FIGURE II.25 : FILS ORTHODONTIQUES ............................................................................................................. 68 FIGURE II.26 : MICRO-PINCE EN SILICONE ET AMF ........................................................................................... 68 FIGURE II.27 : PRINCIPE D’UNE MICRO-PINCE INTEGRANT DES ACTIONNEURS EN AMF SOUS FORME DE STRUCTURE MINCE ............................................................................................................................................. 69 FIGURE II.28 : REDUCTION DE FRACTURE A L’AIDE D’UNE AGRAFE ................................................................ 70 FIGURE II.29 : REDUCTION DE FRACTURE A L’AIDE DES PLAQUES DE FIXATIONS ......................................... 70 FIGURE II.30 : STENT FLEXIBLE EN TINI ............................................................................................................ 71 FIGURE II.31 : TELESCOPE HUBBLE LANCE EN AVRIL 1990 [AST 05] ............................................................... 71 FIGURE II.32 : SATELLITE CLEMENTINE LANCE LE 25 JANVIER 1994 [CLE 05] ................................................ 72 FIGURE II.33 : FRANGIBOLT DE LA COMPAGNIE TINI ALLOY AEROSPACE INC DE SAN LEANDRO [TIN 05] ..... 72 FIGURE II.34 : STATION ORBITALE MIR [MIR 05] ................................................................................................ 73 FIGURE II.35 : PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UN MANCHON D’ACCOUPLEMENT EN AMF [AIM 01]......... 73 FIGURE II.36 : (A) MICRO ACTUATEUR POUR LA ROBOTIQUE, (B) ROBOT NAGEUR A PROPULSION ICPF (LABORATOIRE D’AUTOMATIQUE DE BESANÇON)............................................................................................... 73 FIGURE. II.37 :. EMPLACEMENT. DES. ACTIONNEURS. (A). THERMIQUES. (B). ELECTRIQUES. SUR. UNE. AUTOMOBILE ........................................................................................................................................................ 74 FIGURE II.38 : APPLICATION DES AMF A UNE SOUPAPE DE MELANGE THERMOSTATIQUE [OTS 02] .............. 74 FIGURE III.1 : ILLUSTRATION DES EFFORTS PIEZOELECTRIQUES.................................................................... 78 FIGURE III.2 : REPRESENTATION SCHEMATIQUE DE LA POLARISATION A L’ECHELLE CRISTALLINE.............. 78. Université Mentouri – Constantine. 16.

(25) Liste des figures FIGURE III.3 : POLARISATION D’UN MORCEAU DE CERAMIQUE. LE CHAMP E INTENSE FORCE LES DOMAINES A S’ORIENTER SELON UNE DIRECTION PRIVILEGIEE ......................................................................................... 79 FIGURE III.4 : CYCLE DE FABRICATION DES CERAMIQUES PZT PAR VOIE SOLIDE, D’APRES [GON 98] .......... 79 FIGURE III.5 : COMPORTEMENT DU CHLORURE DE CESIUM (CSCL) CENTROSYMETRIQUE............................ 80 FIGURE III.6 : COMPORTEMENT DU QUARTZ (SIO2) NON CENTROSYMETRIQUE.............................................. 80 FIGURE III.7 : ORGANISATION DES 32 CLASSES CRISTALLINES........................................................................ 80 FIGURE III.8 : CYCLE D’HYSTERESIS D’UN MATERIAU FERROELECTRIQUE ..................................................... 81 FIGURE III.9 : STRUCTURE DU PVDF [PET 03A] .................................................................................................. 82 FIGURE III.10 : (A) CERAMIQUE, (B) QUARTZ...................................................................................................... 83 FIGURE III.11 : PRINCIPAUX MODES DE DEFORMATION SELON LES DIMENSIONS ET LA DIRECTION DE LA POLARISATION ...................................................................................................................................................... 86 FIGURE III.12 : DISPOSITIF DE CONTROLE ACTIF DE VIBRATION D’UN : (A) BRAS DE SATELLITE, (B) AILE D’AVION BOEING-US AIR FORCE.......................................................................................................................... 87 FIGURE III.13 : (A) POUTRE A ANCRAGE SIMPLE, (B) POUTRE A DOUBLE ANCRAGE [MER 030] ...................... 87 FIGURE III.14 : PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT D’UN MICROSYSTEME MEMS : (A) COMPOSANT AU REPOS ETAT HAUT (AUCUNE TENSION N’EST APPLIQUEE), (B) ET (C) APPLICATION DE LA TENSION D’ACTIONNEMENT: LA POUTRE S’AFFAISSE, (D) LA POUTRE EST TOTALEMENT AFFAISSEE - ETAT BAS......................................... 88 FIGURE III.15 : MICRO POMPE PIEZOELECTRIQUE............................................................................................ 89 FIGURE III.16 : HEISMAN (1986, MICROFLEX TECHNOLOGY INC., ETAT UNIS)................................................. 89 FIGURE III.17 : UNE MICRO-PINCE A POUTRES PIEZOELECTRIQUES : (A) UNIMORPHES [HAD 00], (B) BIMORPHES [ANG 03] ........................................................................................................................................... 90 FIGURE III.18 : ARCHITECTURE MECANIQUE ET PRINCIPE DE FONCTIONNEMENT DES ACTIONNEURS A INTERACTION DE CONTACT DE TYPE « SCRACH DRIVE ACTUATOR » [JEO 03] .................................................. 90 FIGURE III.19 : DISPOSITIF DE GENERATION D’ENERGIE INTEGREE DANS UNE CHAUSSURE [SHE 01]......... 91 FIGURE IV.1 : COMPARAISONS DES COMPORTEMENTS SUPER-ELASTIQUES DES AMF A BASE CUIVRE, DE NICKEL-TITANE, ET DE L’ACIER ........................................................................................................................... 95 FIGURE IV.2 : DIFFERENTES VERSIONS DE DIAGRAMME D’EQUILIBRE DU TINI PROPOSEES DANS LA LITTERATURE [GUE 95]......................................................................................................................................... 96 FIGURE IV.3 : EVOLUTION DE LA TEMPERATURE DE TRANSFORMATION MS EN FONCTION DE LA TENEUR EN NI [MIY 90, PAT 94] ................................................................................................................................................ 96 FIGURE IV.4 : THERMOGRAMME TYPIQUE DU NITI OBTENU EN DSC APRES UN RECUIT A 420 °C (1H) .......... 97 FIGURE IV.5 : APPAREIL SETARAM (DSC92)........................................................................................................ 98 FIGURE IV.6 : THERMOGRAMME TYPIQUE DU TINI OBTENU EN DSC APRES NORMALISATION A 870°C ......... 98 FIGURE IV.7 : EVOLUTION DES THERMOGRAMMES TYPIQUES DU TINI OBTENUS EN DSC APRES UN RECUIT A 520°C.................................................................................................................................................................. 99 FIGURE IV.8 : EVOLUTION DES THERMOGRAMMES TYPIQUES DU TINI OBTENUS EN DSC APRES UN RECUIT A 425°C.................................................................................................................................................................100 FIGURE IV.9 : EVOLUTION DES THERMOGRAMMES TYPIQUES DU TINI OBTENUS EN DSC APRES UN RECUIT A 265°C.................................................................................................................................................................101 Université Mentouri – Constantine. 17.

(26) Liste des figures FIGURE IV.10 : EVOLUTION DES THERMOGRAMMES TYPIQUES DU TINI OBTENUS EN DSC APRES UN RECUIT A 350°C.................................................................................................................................................................101 FIGURE IV.11 : EVOLUTION DES TEMPERATURES DES PICS (MA), (AR) ET (RM)..............................................102 FIGURE IV.12 : EVOLUTION DE LA LARGEUR DES PICS (MA), (RA) ET (RM) ......................................................103 FIGURE IV.13 : EVOLUTION DE L’HYSTERESIS EN TEMPERATURE DE LA TRANSFORMATION .......................103 FIGURE IV.14 : EFFET DES RECUITS SUR LE COMPORTEMENT EN TRACTION DU TINI EQUIATOMIQUE (DEFORME A 31%, LIN ET WU 1994)....................................................................................................................104 FIGURE IV.15 : EVOLUTION DES CONTRAINTES σRM ET σYM EN FONCTION DES TEMPERATURES DE RECUIT POUR L’ALLIAGE TINI EQUIATOMIQUE (DEFORME A 31%, LIN ET WU 1994).....................................................105 FIGURE IV.16 : MICROGRAPHIE DE L’ETAT DE SURFACE DU FIL DE TINI AVANT TRAITEMENT THERMIQUE : OBSERVATION A TEMPERATURE AMBIANTE ......................................................................................................107 FIGURE IV.17 : MICROGRAPHIE DE L’ETAT DE SURFACE DU FIL DE TINI APRES TRAITEMENT THERMIQUE A 870°C PENDANT 2HEURES (REFROIDISSEMENT A AIR) ....................................................................................108 FIGURE IV.18 : MICROGRAPHIE DE L’ETAT DE SURFACE DU FIL DE TINI APRES TRAITEMENT THERMIQUE A 870°C PENDANT 2HEURES (REFROIDISSEMENT DANS HUILE) .........................................................................108 FIGURE IV.19 : MICROGRAPHIE DE L’ETAT DE SURFACE DU FIL DE TINI APRES TRAITEMENT THERMIQUE A 870°C PENDANT 2HEURES (REFROIDISSEMENT A EAU) ...................................................................................109 FIGURE IV.20 : MICROGRAPHIE DE L’ETAT DE SURFACE DU FIL DE TINI APRES TRAITEMENT THERMIQUE A 870°C PENDANT 2HEURES (REFROIDISSEMENT A EAU) ...................................................................................109 FIGURE IV.21 : MICROGRAPHIE DE L’ETAT DE SURFACE DU FIL DE TINI APRES TRAITEMENT THERMIQUE A 870°C PENDANT 2HEURES (REFROIDISSEMENT A EAU A 25°C) SUIVI D’UN RECUIT A 425°C PENDANT 10 MINUTES .............................................................................................................................................................110 FIGURE IV.22 : MICROGRAPHIE DE L’ETAT DE SURFACE DU FIL DE TINI APRES TRAITEMENT THERMIQUE A 870°C PENDANT 2HEURES (REFROIDISSEMENT A EAU A 25°C) SUIVI D’UN RECUIT A 425°C PENDANT 30 MINUTES .............................................................................................................................................................110 FIGURE IV.23 : MICROGRAPHIE DE L’ETAT DE SURFACE DU FIL DE TINI APRES PRE-ETIREMENT 8%..........111 FIGURE IV.24 : MICROGRAPHIE DE L’ETAT DE SURFACE DU FIL DE TINI APRES EDUCATION .......................111 FIGURE IV.25 : DISPOSITIF EXPERIMENTAL UTILISE POUR LES ESSAIS DE TRACTION EN TEMPERATURE : (A) VUE D’ENSEMBLE DE LA MACHINE DE TRACTION, (B) VUE AGRANDIE DU DISPOSITIF AU NIVEAU DE L’ENCEINTE THERMIQUE,(C) VUE AGRANDIE DU DISPOSITIF AU NIVEAU DE L’EPROUVETTE ........................112 FIGURE IV.26 : ÉVOLUTION DU COMPORTEMENT THERMOMECANIQUE EN TRACTION ISOTHERME DU TINI DANS DEUX PHASES DE TRANSFORMATION......................................................................................................113 FIGURE IV.27 : ARRANGEMENT DES FIBRES AU SEIN D’UN PLIN EN MATERIAU ADAPTABLE ........................115 FIGURE IV.28 : CONCEPT DU MATERIAU ADAPTABLE.......................................................................................115 FIGURE IV.29 : SCHEMA DE PRINCIPE D’ELABORATION DE MATERIAU ADAPTABLE ......................................116 FIGURE IV.30 : SECTION DU MONTAGE DE MISE EN ŒUVRE DES PLAQUES DE MATERIAU ADAPTABLE : 1PLAQUE DE METAL DU BANC D'ESSAI; 2- JOINT D'ETANCHEITE; 3 ET 5- PAPIER SILICONE; 4- MATERIAU ADAPTABLE; 6- FILM DE MISE SOUS VIDE (POLYAMIDE); 7- PRISE DE VIDE....................................................116 FIGURE IV.31 : REPRESENTATION SCHEMATIQUE DU POSITIONNEMENT DES FIBRES AMF DANS LA MATRICE EPOXY ..................................................................................................................................................................117. Université Mentouri – Constantine. 18.

(27) Liste des figures FIGURE IV.32 : EPROUVETTE DE TRACTION EN MATERIAU ADAPTABLE A FIBRE ACTIVE..............................117 FIGURE IV.33 : EPROUVETTE TINI/EPOXY SERREE DANS LA MACHINE DE TRACTION ..................................118 FIGURE IV.34 : COURBES COMPARATIVES DE LA CONTRAINTE EN FONCTION DE LA DEFORMATION POUR UN ESSAI DE TRACTION A DIFFERENTES TEMPERATURES REALISE SUR MATERIAUX ADAPTABLES TINI/EPOXY AVEC DES FIBRES PRE-ETIRES A : (A) 3%, (B) 5% ET (C) 8% ..............................................................................119 FIGURE IV.35 : COURBES COMPARATIVES DE LA CONTRAINTE EN FONCTION DE LA DEFORMATION POUR UN ESSAI DE TRACTION REALISE SUR DES MATERIAUX ADAPTABLES TINI/EPOXY A FIBRES PRE-ETIRES A 3%, 5% ET 8% CHAUFFE A : (A) 25°C, (B) 50°C, (C) 70°C, (D) 90°C ET (E) 110°C ........................................................120 FIGURE IV.36 : COURBES COMPARATIVES DE LA CONTRAINTE EN FONCTION DE LA DEFORMATION POUR UN ESSAI DE TRACTION REALISE SUR MATERIAU ADAPTABLE A FIBRES TINI EN PHASE AUSTENITIQUE OU EN PHASE MARTENSITIQUE D’UNE PART ET SUR UN PLI COMPOSITE VERRE/EPOXY ..........................................122 FIGURE IV.37 : MICROGRAPHIE D’UNE COUPE TRANSVERSALE DE L’INTERFACE FIBRE/MATRICE REALISE AU MEB : (A) ETAT INITIAL, (B) DEFORMATION LOCALISEE AUTOUR DES FIBRES APRES UN PRE-ETIREMENT DE 8%, (C) DEBUT D’ARRACHEMENT DES FIBRES AMF APRES UN PRE-ETIREMENT DE 10%, (D) DETERIORATION COMPLETE DE L’INTERFACE APRES 12% DE PRE-ETIREMENT.............................................123 FIGURE IV.38 : PHOTOGRAPHIES DE L’APPAREIL : (A) PROFILOMETRE, (B) CAPTEUR PROFILOMETRIQUE ET (C) DETAIL DE LA TETE DU CAPTEUR .................................................................................................................123 FIGURE IV.39 : RECONSTRUCTION EN TROIS DIMENSIONS DE LA TOPOGRAPHIE DE L’INTERFACE FIBRE/MATRICE PAR MICROSCOPIE MECANIQUE A BALAYAGE .......................................................................125 FIGURE V.1 : REPRESENTATION SCHEMATIQUE DE LA LOI DE COMPORTEMENT DES AMF ..........................128 FIGURE V.2 : CONFIGURATION DE L’EPROUVETTE UTILISEE LORS DU TEST DE TRACTION – MAILLAGE DE L’EPROUVETTE ET CONDITIONS AUX LIMITES ...................................................................................................129 FIGURE V.3 : CONFIGURATION D’UN FIL UTILISE LORS DU TEST DE TRACTION – MAILLAGE DU FIL AMF ....129 FIGURE V.4 : ISOVALEURS DE CONTRAINTES DE VON MISES DANS UNE EPROUVETTE DE TRACTION INITIALEMENT A L’ETAT MARTENSITIQUE ..........................................................................................................130 FIGURE V.5 : ISOVALEURS DE DEFORMATIONS PSEUDO-PLASTIQUES DANS UNE EPROUVETTE DE TRACTION INITIALEMENT A L’ETAT MARTENSITIQUE ..........................................................................................................131 FIGURE V.6 : ISOVALEURS DE CONTRAINTES DE VON MISES DANS UNE EPROUVETTE DE TRACTION INITIALEMENT A L’ETAT AUSTENITIQUE .............................................................................................................132 FIGURE V.7 : ISOVALEURS DE DEFORMATIONS PSEUDO-PLASTIQUES DANS UNE EPROUVETTE DE TRACTION INITIALEMENT A L’ETAT AUSTENITIQUE .............................................................................................................132 FIGURE V.8 : SIMULATION DE L’ESSAI DE TRACTION, REPRESENTATION DE L’EVOLUTION DE LA TEMPERATURE DANS L’EPROUVETTE DE TRACTION INITIALEMENT A L’ETAT AUSTENITIQUE .......................133 FIGURE V.9. :. POSITIONNEMENT DES POINTS CONSIDERES POUR L’ANALYSE COMPARATIVE DES. EVOLUTIONS DE LA TEMPERATURE ...................................................................................................................133 FIGURE V.10 : EVOLUTION DES TEMPERATURES DES POINTS CITUES DANS DIFFERENTES ZONE DE L’EPROUVETTE PENDANT UN ESSAI DE TRACTION............................................................................................134 FIGURE V.11 : EVOLUTION DE LA CONTRAINTE EN FONCTION DE LA DEFORMATION DES ECHANTILLONS AMF A DIFFERENTES TEMPERATURES ...............................................................................................................134 FIGURE V.12 : COURBE EXPERIMENTALE ET NUMERIQUE POUR ESSAI DE TRACTION DANS LE DOMAINE MARTENSITIQUE A 40°C ......................................................................................................................................135. Université Mentouri – Constantine. 19.

(28) Liste des figures FIGURE V.13 : COURBE EXPERIMENTALE ET NUMERIQUE POUR ESSAI DE TRACTION DANS LE DOMAINE AUSTENITIQUE A 90°C.........................................................................................................................................136 FIGURE V.14 : ISOVALEUR DE CONTRAINTES σZZ DANS UN AMF INITIALEMENT A L’ETAT AUSTENITIQUE ....136 FIGURE V.15 : GEOMETRIE DU MODELE AMF/EPOXY......................................................................................137 FIGURE V.16 : REPRESENTATION DU MAILLAGE DE LA STRUCTURE PAR DES ELEMENTS SOLIDES AU NIVEAU DE L’ENCASTREMENT ............................................................................................................................138 FIGURE V.17 : SCHEMATISATION DES CONDITIONS AUX LIMITES ET DE CHARGEMENT APPLIQUEES A LA STRUCTURE DE TYPE TINI/EPOXY EN TRACTION SIMPLE .................................................................................138 FIGURE V.18 : CHAMP DE DEPLACEMENTS SUIVANT LA DIRECTION Z-Z A L’EQUILIBRE DU MODELE D’UNE PLAQUE MINCE ADAPTABLE A FIBRES ACTIVES EN TINI INITIALEMENT A L’ETAT AUSTENITIQUE..................139 FIGURE V.19 : CHAMP DE DEPLACEMENTS SUIVANT LA DIRECTION Z-Z D’UNE ZONE ARBITRAIRE D’UNE PLAQUE MINCE ADAPTABLE A FIBRES ACTIVES EN TINI INITIALEMENT A L’ETAT AUSTENITIQUE..................140 FIGURE V.20 : CHAMP DE DEPLACEMENTS SUIVANT LA DIRECTION Z-Z A L’EQUILIBRE D’UNE PLAQUE MINCE ADAPTABLE A FIBRES ACTIVES EN TINI INITIALEMENT A L’ETAT MARTENSITIQUE .........................................140 FIGURE V.21 : CHAMP DE DEPLACEMENTS SUIVANT LA DIRECTION Z-Z A L’EQUILIBRE DU MODELE D’UN PLI COMPOSITE VERRE/EPOXY ................................................................................................................................141 FIGURE V.22 : COURBE EXPERIMENTALE ET NUMERIQUE POUR UN ESSAI DE TRACTION REALISE SUR DES STRUCTURES MINCES EN MATERIAUX ADAPTABLES A FIBRES ACTIVES ET SUR DES PLIS COMPOSITES VERRE/EPOXY D’AUTRE PART ............................................................................................................................142 FIGURE V.23 : GEOMETRIES D’UN TUBE CARRE UTILISE LORS DES TESTS D’ECRASEMENT : (A) EN LAITON, (B) EN MATERIAUX ADAPTABLE DE TYPE TINI/EPOXY.......................................................................................144 FIGURE V.24 : IDENTIFICATION DE LA LOI DE COMPORTEMENT [ABD 03] ......................................................144 FIGURE V.25 : ISOVALEURS DE VON-MISES DURANT UN ESSAI D’ECRASEMENT PROGRESSIF .....................145 FIGURE V.26 : DEFORMEES D’UN TUBE PAR ECRASEMENT : (A) RESULTATS EXPERIMENTAUX D’APRES ABDENNADHER ET AL. [ABD 03], (B) SIMULATION PAR MEF..............................................................................146 FIGURE V.27 : ISOVALEURS DE DEFORMATIONS PLASTIQUES CUMULEES ....................................................147 FIGURE V.28 : EVOLUTION DE LA CONTRAINTE DANS LES FIBRES AMF DURANT LE CYCLE POUR UN CHARGEMENT DE 10N.........................................................................................................................................148 FIGURE V.29 : EVOLUTION DE LA CONTRAINTE DANS LES FIBRES AMF DURANT LE CYCLE POUR UN CHARGEMENT DE 2,5N........................................................................................................................................148 FIGURE V.30 : ISOVALEURS DE CONTRAINTES σZZ ............................................................................................149 FIGURE V.31 : MAILLAGE DU MODELE NUMERIQUE ADAPTE POUR UNE STRUCTURE ADAPTABLE ..............150 FIGURE V.32 : EVOLUTION DU CHAMP DE CONTRAINTES VON-MISES POUR UNE PLAQUE IMPACTEE A UNE VITESSE EGALE A 70mm/s..................................................................................................................................151 FIGURE V.33 : EVOLUTION DU CHAMP DE CONTRAINTES VON-MISES POUR UNE PLAQUE IMPACTEE A UNE VITESSE EGALE A 365mm/s................................................................................................................................152 FIGURE V.34 : DISTRIBUTION DE DEPLACEMENT SUIVANT LA DIRECTION Y-Y DANS UNE STRUCTURE : (A) EN VERRE/EPOXY ET (B) EN TINI/EPOXY IMPACTEE A 70mm/s.............................................................................153 FIGURE V.35 : DISTRIBUTION DE DEPLACEMENT SUIVANT LA DIRECTION Y-Y DANS UNE STRUCTURE ADAPTABLE EN TINI/EPOXY IMPACTEE : (A) 365mm/s et (B) A 70mm/s ...........................................................154 Université Mentouri – Constantine. 20.

(29) Liste des figures FIGURE V.36 : EVOLUTION DE L’ENERGIE TOTALE EN FONCTION DU TEMPS DURANT UN TEST D’IMPACT ..155 FIGURE V.37 : RESULTAT NUMERIQUE DE LA DEFORMATION D’UNE PLAQUE ADAPTABLE PAR UN PROJECTILE HEMISPHERE INDEFORMABLE......................................................................................................156 FIGURE VI.1 : PRINCIPE DE LA MESURE D’IMPEDANCE ELECTROMECANIQUE ..............................................159 FIGURE VI.2 : INTEGRATION DES CAPTEURS ET DE LEUR CABLAGE DANS UNE MEME COUCHE. [LIN 02] ...160 FIGURE VI.3 : PRINCIPE DE LA PROPAGATION D’ONDE DE LAMB ....................................................................160 FIGURE VI.4 : STRUCTURE PIEZOELECTRIQUE.................................................................................................162 FIGURE VI.5 : STRUCTURE DE LA MATRICE ELASTO-PIEZO-DIELECTRIQUE...................................................164 FIGURE VI.6 : CONTROLE ACTIF DE POUTRES ACTIONN2ES EN EXTENSION PAR : (A) DEUX COUCHES PIEZOELECTRIQUES ET (B) DES ELEMENTS PZT COLLEES SUR LES DEUX SURFACES ..................................166 FIGURE VI.7 : DISPOSITIF EXPERIMENTAL DEDIE AU CONTROLE PAR ELEMENTS PIEZOELECTRIQUES ......167 FIGURE VI.8 : MAILLAGE ET CONDITIONS AUX LIMITES DE LA STRUCTURE...................................................168 FIGURE VI.9 : FLECHE DE LA POUTRE ACTIONNEE EN EXTENSION PAR ELEMENT PIEZOELECTRIQUE .......168 FIGURE VI.10 : ENERGIE ELASTIQUE DANS LA STRUCTURE ............................................................................169 FIGURE VI.11 : FLECHE DE LA POUTRE ACTIONNEE EN EXTENSION PAR ELEMENT PIEZOELECTRIQUE .....169 FIGURE VI.12 : VARIATION DE LA FLECHE DU BOUT DE LA POUTRE AVEC LA POSITION DU PZT..................170 FIGURE VI.13 : (A) GEOMETRIE DE LA PLAQUE HYBRIDE EN TINI/EPOXY IMPACTEE AU CENTRE PAR UN PROJECTILE INDEFORMABLE ET COLLE SUR SA SURFACE BASSE UN CAPTEUR PIEZOELECTRIQUE, (B) ZOOM SUR LA ZONE DE CHUTE DU PROJECTILE .........................................................................................................171 FIGURE VI.14 : STRUCTURE HYBRIDE COMPORTANT UN CAPTEUR PIEZOELECTRIQUE ................................172 FIGURE VI.15 : (A) EVOLUTION DE LA DEFORMEE DE SURFACE D’UNE STRUCTURE ADAPTABLE TINI/EPOXY IMPACTEE A 160MM/S, (B) COMPARAISON DES DEFORMEES OBTENUES EN SIMULATION POUR UNE STRUCTURE ADAPTABLE ET CELLES CALCULEES PAR LE CAPTEUR PZT-5H...................................................172 FIGURE VI.16 : COURBE D’INFLUENCE DE L’EMPLACEMENT DE L’ACTIONNEUR SUR LA PLAQUE ................173 FIGURE VI.17 : GEOMETRIE DE LA PLAQUE HYBRIDE (TINI/EPOXY) IMPACTEE AU CENTRE PAR UN PROJECTILE INDEFORMABLE ET COLLE A SA SURFACE BASSE UNE PASTILLE PIEZOELECTRIQUE..............174 FIGURE VI.18 : EVOLUTION DE LA FLECHE AU COURS DU TEMPS CALCULEE AU CENTRE DE : (A) LA STRUCTURE, (B) LE PZT-5A, (C) LE PZT-5H ET (D) LE PZT-8 ...............................................................................174 FIGURE VI.19 : MESURES DE LA CHUTE DE POTENTIEL DANS L’ELEMENT PIEZOELECTRIQUE ....................175 FIGURE VI.20 : ISOVALEURS DE DEPLACEMENT SUIVANT L’AXE Y POUR UNE TENSION DE 40VOLTS ..........176. Université Mentouri – Constantine. 21.

(30) Liste des tableaux. LISTE DES TABLEAUX. Université Mentouri – Constantine. 22.

(31) Liste des tableaux. LISTE DES TABLEAUX TABLEAU I.1 : COMPARAISON DES MATERIAUX INTELLIGENTS ........................................................................ 39 TABLEAU II.1 : PROPRIETES DES ALLIAGES TERNAIRES DE TINI...................................................................... 65 TABLEAU II.2 : COMPARAISON DES PROPRIETES DES AMF LES PLUS UTILISEES ........................................... 67 TABLEAU III.1 : CONSTANTES PHYSIQUES DE MATERIAUX PIEZOELECTRIQUES ............................................ 84 TABLEAU III.2 : EQUATION DE LA PIEZOELECTRICITE [PIE01] .......................................................................... 84 TABLEAU III.3 : GRANDEURS DES EQUATIONS D’ETAT DE LA PIEZOELECTRICITE.......................................... 85 TABLEAU IV.1 : PROPRIETES DES ALLIAGES A MEMOIRE DE FORME CLASSIQUES [GUE 95] ......................... 94 TABLEAU IV.2 : COMPOSITION DE L’ALLIAGE ETUDIE ....................................................................................... 97 TABLEAU IV.3 : TRAITEMENTS THERMIQUES ET MECANIQUES DES FILS TINI ...............................................106 TABLEAU IV.4 : PROPRIETES MECANIQUES EN TRACTION UNI-AXIALE DE LA MATRICE EPONAL .................114 TABLEAU IV.5 : VALEURS DU MODULE D’YOUNG DES MATERIAUX ADAPTABLES A DIFFERENTES TEMPERATURES ..................................................................................................................................................121 TABLEAU IV.6 : PROPRIETES GENERALES FIBRE DE VERRE R [GAY 87 ET GUI 00B]......................................121 TABLEAU VI.1 : CARACTERISTIQUES DES CAPTEUR/ACTIONNEUR PIEZOELECTRIQUES [SIM 93].................167 TABLEAU VI.2 : CARACTERISTIQUES DES PATCHS PIEZOELECTRIQUES]........................................................175. Université Mentouri – Constantine. 23.

(32) Introduction générale. Introduction générale. Université Mentouri – Constantine. 24.

(33) Introduction générale. Introduction générale Les industriels utilisent de plus en plus de matériaux composites à fibres renforcés par des fibres de verre, ou de carbone. En particulier, ils cherchent à concevoir, développer et caractériser de nouveaux matériaux destinés à être utilisés aussi bien dans des secteurs de haute technologie tels que l’aéronautique et le militaire que dans des domaines plus quotidiens comme l’automobile, les loisirs et l’habitat. La recherche de nouveaux matériaux occupe de plus en plus une place importante dans l’histoire de la technologie. Les objectifs de recherche en matière de nouveaux matériaux sont : gain de performance, baisse du coût de fabrication des produits, et sauvegarde ou même amélioration de la fiabilité….etc. En effet, au début des années 80 est apparue comme un rêve de technologues de concept de matériaux et de systèmes aux propriétés évolutives dits « intelligents » ou « smart » capable de remplir au mieux les missions dans un environnement changeant et, mieux encore, d’assurer leur survie !. Ce concept a d’abord été avancé dans le cadre de la conception « biomimétique » des précurseurs où le matériau intelligent posséderait des « nerfs » représentés par un réseau de capteurs ou un matériau intrinsèquement sensible, des « muscles » simulés par des matériaux « actifs » et un « cerveau » ou un dispositif analysant les données fournies par le matériau sensible pour choisir la bonne réponse et modifier les caractéristiques globales. Cette conception « biomimétrique » a ainsi tout naturellement conduit au plus difficile des challenges, celui de l’autoréparation des dommages. Ce concept ambitieux qui implique naturellement la multifonctionnalité s’est assez rapidement structuré et on a coutume de distinguer aujourd’hui plusieurs niveaux de difficultés croissantes où la distinction entre matériaux « stricto sensu », mélanges de matériaux et systèmes n’est pas toujours claire : −. Matériaux dits « adaptables » capables de faire évoluer une de leurs caractéristiques essentielles (forme, module, viscosité, transparence, …) sous l’effet d’une sollicitation localement appliquée (champ électrique, magnétique, température, …), à la fonction primitive on ajoute une composante « action »,. −. Matériaux simplement « sensibles » capable de fournir une information sur leur environnement et/ou leur propre état structural, à la fonction primitive on ajoute une composante « information »,. −. Matériaux dite « adaptatifs » ou « intelligents » à la fois « sensibles » et « adaptables » et susceptibles de réagir par eux-mêmes et dans le bon sens à l’évolution des variables externes ou internes. On peut distinguer entre matériaux adaptatifs et matériaux intelligents par la prise en compte du niveau de traitement de l’information. Un matériau serait adaptatif s’il n’est susceptible de réagir qu’à un type de sollicitation suivant une loi programmée. Un matériau « intelligent » posséderait toute une gamme. Université Mentouri – Constantine. 25.

(34) Introduction générale de sensibilités à des sollicitations diverses et serait susceptible d’un choix dans la réponse ou même d’un éventuel auto-apprentissage.. Les matériaux intelligents ou aussi appelés adaptatifs sont composés entre autres de matériaux piézoélectriques, de matériaux électrostrictifs, de matériaux magnétostrictifs, des alliages à mémoire de forme et des fluides électro-rhéologiques. Chaque type de matériaux a des qualités différentes qui sont mises à profit, au mieux, selon le domaine d’utilisation demandé. Les matériaux sur lesquels nos efforts se sont concentrés sont les alliages à mémoires de formes (AMF) et les matériaux piézoélectriques (PZT). Ces matériaux sont notamment beaucoup utilisés respectivement comme actionneurs et capteurs. Dans ce travail nous nous intéresserons à la réalisation d’un matériau « adaptable » élaboré à partir d’une matrice organique renforcée par des fibres d’alliage à mémoire de forme (AMF). En fait l’ajout de fils d’AMF peut conduire à trois types d’utilisation (au moins potentielles) :. -. Le développement de contraintes internes dans les structures en composites adaptatifs appliquées au contrôle des vibrations et pouvant entraîner par exemple le glissement d’une fréquence de résonance,. -. La diminution des concentrations de contraintes en fond de fissure sur une structure endommagée,. -. Le contrôle de forme permet d’adapter la structure à de nouvelles conditions d’usage. C’est le sujet de cette recherche.. La seconde étape consiste à donner à cette structure dite adaptable la fonction de sensibilité afin de devenir une structure dite « adaptative » ou « intelligente » à la fois « sensible » et « adaptable ». Cette fonction est réalisable par l’intégration des capteurs piézoélectriques à la surface de la structure pour but de prouver leur fiabilité, sachant que la présence de défauts peut dégrader sévèrement leurs propriétés mécaniques. Dans cette étude, nous nous efforcerons d’apporter des éléments de réponse à la définition d’un système de suivi in situ et en temps réel de l’état de santé d’une structure. Idéalement, un tel système se donne pour but final la détection précoce de l’apparition d’un défaut, ainsi que l’estimation de sa sévérité (par exemple par son type et sa taille) et de sa position. Ce travail s'articule autour de six chapitres successifs qui retracent les différentes étapes qui ont mené à la conception, au développement, à la caractérisation et à l’optimisation de ces nouveaux matériaux/structures. Le premier chapitre de cette thèse présent une revue bibliographique concernant les matériaux intelligents, les notions générales sur le concept de ces matériaux, ainsi que les principaux. matériaux. utilisés et. Université Mentouri – Constantine. leurs. domaines. d’applications.. Cette. recherche. 26.

(35) Introduction générale bibliographique nous permettra de situer nos résultats expérimentaux dans le cadre de l’évolution de ces nouveaux matériaux. Le deuxième chapitre est consacré à la description des caractéristiques micromécaniques des AMF, notamment la transformation martensitique, changement thermo-élastique de phase, et le phénomène de réorientation de la martensite, conférant à ces matériaux leurs remarquables propriétés : effet mémoire de forme simple ou double sens, super-élasticité, contrainte de restauration et effet caoutchoutique. Pour bien persuader les sceptiques de l’intérêt réel des AMF, ce chapitre offre également un tour d’horizon des nombreux domaines d’applications des AMF. Le. troisième chapitre. rappelle. les. définitions. et. les. propriétés. des. matériaux. piézoélectriques suivies d’une description plus détaillée des matériaux de type PZT. Puis, après avoir rappelé les équations de la piézoélectricité, nous présentons les applications les plus répandues pour ces matériaux sous forme massive. Le quatrième chapitre décrit les matériaux et les techniques expérimentales utilisés. La première partie présente les procédures expérimentales de caractérisation et les traitements thermiques employés pour l’alliage TiNi. La DSC (Differential Scanning Calorimetry) est largement. utilisée. dans. cette. étude. pour. la. détermination. des. températures. de. transformation. Les premiers résultats expérimentaux sur l’influence des traitements thermiques. d’homogénéisation. « direct ». et. « cumulé ». sur. les. caractéristiques. des. transformations d’alliage TiNi sont exposés. A partir des caractéristiques intrinsèques du matériau, une série d’essais mécaniques est effectuée à différentes températures (phase martensitique, austénitique et mixte) pour mettre en évidence les différentes propriétés ainsi les capacités des fils AMF. Enfin, la seconde partie est consacrée à l’étude du comportement élastique d’un pli composite adaptable unidirectionnel de type TiNi/époxy. Après une présentation de ces matériaux et leur mise en œuvre nous déterminons leurs modules d’élasticité à différentes températures par essai de traction. Le cinquième chapitre présente les résultats concernant la validation de l’étude numérique. Cette validation porte sur la comparaison de cas dits « simples » avec des essais expérimentaux. Ce chapitre est composé de deux parties : dans la première partie, nous présentons une modélisation en 3D permettant de simuler le comportement d’AMF. Ce modèle est validé par confrontation aux essais expérimentaux. Dans la seconde partie, cette loi de comportement est ensuite introduite dans la modélisation de la structure adaptable. Ce modèle est validé d’une part dans le cas de chargement uni-axial dans le domaine pseudo-élastique et d’autre part sur deux exemples de procédés industriels. Le sixième chapitre présente des simulations réalisées pour étudier l’évolution de la santé des structures hybrides TiNi/époxy sous sollicitations complexes par l’intégration des éléments piézoélectriques. Plusieurs types de configuration ont été envisagés afin de tester d’une part la validité du modèle à décrire la déformée d’une structure encastrée-libre par une couche piézoélectrique et d’autre part l’efficacité des actionneurs PZT retenues pour contrôler le changement de forme des plaques minces hybrides en matériau adaptable. Université Mentouri – Constantine. 27.