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Etude du comportement au choc d’un Matériau Composite renforcé par des Fibres de Verre.

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Academic year: 2022

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57 FIG.1.Mat de verre Fig. 2. Tissé de verre.

Etude du comportement au choc d’un Matériau Composite renforcé par des Fibres de Verre.

Hami B.1, Irekti A.1, Bezzazi B.1

1. Unité de Recherche Matériaux, Procédés et Environnement (URMPE), Université M'Hamed Bougara, Boumerdès. Cité Frantz Fanon, 35000 Boumerdès, Algérie

RESUME

Ce travail a pour objet d’étudier les caractéristiques mécaniques en flexion 3 points et en traction ; en statique ; et du comportement au choc de trois variantes de stratifiés constitués du mat et du tissé en fibres de verre et de résine polyester, dans le but de les utiliser dans la réparation des coques de bateaux et les valoriser dans l’industrie navale.

Trois types de plaques stratifiés ont été élaborés par moulage au contact, Ces différentes variantes de stratifiés constitués de fibre de verre tissé, mat et combiné (tissé et mat) ont été soumises à des essais mécaniques (traction et flexion 3 points). L’analyse des résultats des essais menés sur ces trois types de stratifiés montre qu’une variante sort du lot et donne des performances mécaniques plus élevées que les deux autres.

Mots clés: Matériaux composite, traction et flexion 3 points, Comportement au choc, Fibres de verres et résine polyester.

I. INTRODUCTION

Au cours de ces dernières années, l’industrie de transformation des matériaux composites a bénéficié d’une croissance rapide et régulière, soutenue en particulier par la diversité des applications [1-2]. En raison de leurs propriétés de légèreté, de rigidité et de résistance spécifique, les matériaux composites sont utilisés de nos jours dans un nombre croissant d’applications, dans des domaines de plus en plus étendus, allant de la recherche aérospatiale aux articles de sport grand public [3].

Puisque les impacts peuvent causer des réductions importantes de rigidité des structures composites, il est indispensable d'étudier le comportement au choc des matériaux composites [4].

Notre étude comporte l’élaboration de trois variantes des matériaux composites stratifiés, leur caractérisation par des essais mécaniques.

Les résultats obtenus nous permettent de choisir le type de stratifié qui convient le mieux pour la réparation et la fabrication des coques de bateaux de pêche.

II. Matériaux

Trois types de stratifiés sont élaborés au laboratoire de mécanique des matériaux et composites, de l’Unité de recherche matériaux, procédé et environnement, constitués de fibres de verre (mat et tissés) et de résine polyester.

Ces derniers se différent par le nombre de plis et de la structure des fibres de verre.

Corresponding author: Hami Brahim Adress : URMPE, Université de Boumerdès, Algérie E-mail: brahim22011980@hotmail.fr

ІІ.1.La fibre de verre ІІ.1.1.Composition chimique

La composition du verre à destination des fibres textiles est très différente de celle employée pour les verres courants. Les fibres doivent pouvoir résister aux agressions des agents chimiques et avoir une résistance mécanique à la traction exceptionnellement élevée.

Leur composition, très pauvre en oxydes alcalins, contient des quantités importantes d’alumine, d’anhydride borique et d’oxydes alcalinoterreux.

TABLEI

COMPOSITION CHIMIQUE DU VERRE E UTILISE COMME RENFORT

Composition

chimique de verre E SiO2 B2O3 Al2O3 CaO

Teneur en % 54,5 8,5 15 22

Nous avons utilisé deux types de fibres de verre (le mat et le tissé).

ІІ.1.2. Le mat de verre

Il existe plusieurs types de mats de verre, dans notre travail nous avons utilisé le mat de verre 450 g/m2.

ІІ.1.3. Tissé de verre

Il existe plusieurs types de tissé de verre, dans notre travail nous avons utilisé le type taffetas.

(2)

Hami B., Irekti A., Bezzazi B.

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Fig. 3. Résine polyester. ІІ.2.Résine polyester insaturée

Les résines polyesters sont des matières plastiques thermodurcissables, Une résine de synthèse est généralement composée de deux produits chimiquement différents dont l’association est complémentaire. Le premier est la résine en elle même, chaîne de polymères ouverts à tendance plutôt visqueuse et de couleur quasi incolore. Le second est le catalyseur a pour effet de provoquer la fermeture des chaînes de polymères entièrement contenues dans la résine (d’ou la faible quantité de catalyseur à adjoindre environ 1%).

ІІ.2.1.Caractéristiques des résines polyester selon la fiche technique

ІІ.2.1.1.Propriétés de la résine polyester Monomère:

...Styrène

Teneur en monomère…… …………...39(%) Catalyseur PMEC (50%) :………...1.5%

Temps de gel:………18 minutes Temps de gel au picxothermique………...15 minutes Absorption d'eau:………..0.15 % (ASTM D570) Limite élastique à la traction….600 kg/cm² (ASTM D638)

Force de flexion:……….1050 kg/cm² (ASTM D790) Elongation de rupture:………...1,9 %

III. Elaboration des plaques

Les plaques stratifiées de dimension 300 x 300 mm (Figure. 4) sont réalisés par moulage au contact, et pressées entre deux plaques en bois avec l’utilisation d’une charge. Le démoulage de ces plaques s’effectue après douze heures. Puis ces dernières sont entreposées à une température ambiante pendant 20 jours, jusqu’à la polymérisation totale de la résine. Les éprouvettes sont découpées à l’aide d’une tronçonneuse à disque diamanté et lubrifié selon la norme NF T 57-153.

Les différentes plaques réalisées sont constituées comme suit :

Variante N°1 : 6 plis tissés (100% tissé) ;

Variante N°2 : 2 plis mat + 5 plis tissés ;

Variante N°3 : 14 plis mat (100% mat).

IV.

Essais mécaniques

Les essais mécaniques ont été effectués sur une machine universelle Zwick, de type Z250 équipé du logiciel testXpert V9.0 et doté d’un capteur de force 2,5 KN. Le pilotage et l’acquisition se font par ordinateur.

En traction et en flexion, cinq éprouvettes au moins sont sollicitées pour chaque type de stratifié avec des vitesses d’essais différentes selon les normes en vigueur.

IV-1. Essai de traction

IV-1.1. Préparation des éprouvettes

Les plaques obtenues sont découpées en éprouvettes selon la norme ISO 527-5 à l’aide d’un disque diamanté et refroidi à l’eau. Sur les bouts des éprouvettes sont collées des talons comme le stipule la norme.

IV-1.2. Résultats des essais de traction

TABLEII

CARACTERISTIQUES MECANIQUES EN TRACTION POUR LES ROIS VARIANTES.

N° de Variante 1 2 3 Module de YOUNG

en (Et) en GPa Contrainte maximale

max*

) moyenne en « GPa » Allongement en (%)

26,950 22,611 16,418

0,346 0,292 0,188

1,08 0,96 0,83 Fig. 5. Eprouvette pour l’essai de traction.

Fig. 4. Elaboration du matériau composite.

Fibre de verre (mat) Résine polyester

(3)

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Fig.6. Contrainte de traction moyenne en fonction de l’allongement pour les éprouvettes de la 1ère variante.

Contrainte en GPa

Allongement en mm

Contrainte en GPa

Fig.7. Contrainte de traction moyenne en fonction de l’allongement pour les éprouvettes de la 2ème variante.

Allongement en mm

Fig.9. Eprouvettes pour essais de flexion 3 points.

Fig.10. Dispositif pour l’essai de flexion.

Appui s Poinçon

IV-1.3.Analyse des résultats

D’après les résultats expérimentaux obtenus, (figures 6-8), on remarque que le module de Young pour la variante N°1 (résine polyester + fibres de verre tissé) est de 26,950 GPa par contre celui de la variante N°3 (résine polyester + fibres de verre mat) est de 16,418 GPa, pare ce que dans le cas de la première variante les fibres de type tissées sont longues et orientées dans le sens de la traction ce qui engendre une contrainte en traction de 0,346 GPa.

Dans le cas de la 3ème variante les fibres de type mat sont courtes et orientées aléatoirement ce qui engendre une contrainte en traction faible qui est de l’ordre de 0,188 GPa.

Dans le cas de la variante N°2 le module de YOUNG est de 22,611 GPa parce que cette dernière est renforcée avec la fibre de verre de type (mat + tissé) et par conséquent ses caractéristiques mécaniques sont meilleures par rapport à la 3ème variante et moins bons par rapport à la première variante.

Meraghni F. et Bezzazi A. [5-6-7-8] ont étudié par émission acoustique le développement chronologique des dommages dans des stratifiés verre/polyester et notent que les premiers endommagements apparaissent dans la matrice (correspondant à la fissuration des mèches orientées transversalement à la direction de sollicitation). Puis, lorsque la déformation augmente, la coalescence des fissures dans la matrice conduit à la décohésion des interfaces.

IV-2. Essai de flexion trois points IV-2.1. Préparation des éprouvettes

Les plaques obtenues sont découpées en éprouvettes selon la norme ISO 178 à l’aide d’un disque diamanté.

Contrainte en GPa

Allongement en mm Fig.8. Contrainte de traction moyenne en fonction de l’allongement pour les éprouvettes de la 3ème variante.

(4)

Hami B., Irekti A., Bezzazi B.

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FIG.11. Force moyenne en fonction du déplacement des éprouvettes sollicitées en flexion 3 points de la 2ème variante.

FIG.12. Force moyenne en fonction du déplacement des éprouvettes sollicitées en flexion 3 points de la 3ème variante.

IV-2.2.Résultats des essais de flexion

TABLEII

CARACTERISTIQUES MECANIQUES EN FLEXION 3 POINTS POUR LES TROIS VARIANTES

.

La contrainte de flexion et le module de Young sont calculés selon la norme ISO 14125, d’après les formules suivantes:

TABLEIII

RESULTATS DE CALCUL DE LA CONTRAINTE ET DU MODULE DE YOUNG POUR LES TROIS VARIANTES.

IV-2.3. Analyse des résultats

L’analyse des résultats obtenus nous permet de mettre en évidence l’influence d’un certain nombre de paramètres sur le comportement des matériaux élaborés.

Influence du type de renfort :

- variante N°1, le stratifié renforcé par des fibres de verre de type tissé présente une contrainte maximale de 0,465 GPa et un module d’élasticité de 29,645GPa.

- variante N°3, le stratifié renforcé par des fibres de verre de type mat présente une contrainte de l’ordre de 0,279 GPa et un module de 14,622 GPa.

Par contre au niveau de la déformation à la rupture on obtient à peu près la même valeur.

- variante N°2, le stratifié renforcé par 5 plis tissés et 2 plis mats présente une contrainte à la rupture de 0,349 GPa et un module d’élasticité de 17,144 GPa.

Ces valeurs sont logiques, comprises entre les valeurs des variantes 1et 3.

Influence de la séquence d’empilement :

D’après les travaux [5-6] La rupture en flexion des différents matériaux étudiés peuvent être classées en deux groupes :

- variante N°1 : pour ce type de stratifié, on observe peu de fissures transverses. L’endommagement du matériau se fait par rupture de fibres dans la face comprimée précédée du délaminage.

- variantes N°2, N° 3 : ces deux types de stratifiés sont peu endommagés par fissurations transverses et la rupture se fait essentiellement par délaminage entre plis.

IV-3.Essai de choc Charpy

L’éprouvette est placée horizontalement devant ses appuis, (Fig 14) est cassé par une percussion unique d’un pendule, appliquée à égale distance des appuis. L’énergie du pendule utilisé est de 25 joules.

N° de Variante 1 2 3 Force maximale

moyenne en « N »

Déplacement à la force maximale

en « mm »

1113 940 730

4,544 4,127 4,137 N° de Variante 1 2 3

Contrainte maximale max) moyenne en

« GPa » Module de Young (Ef)

en « GPa »

O,465 0,349 0, 279

29,645 17,144 14,622

 

F FL bh MPa

 3

2 2 (1)



 

 

y F h b

E

L

4 3

3

(2)

(5)

61

FIG.13. Mouton pendule pour essai Charpy.

Pendule

Appuis

TABLE IV

ENERGIEDERUPTUREAUCHOCCHARPY

IV-3.1.Analyse des résultats

D’après les résultats expérimentaux (tableau IV) nous constatons que l’énergie de rupture absorbée par la variante N°3 renforcé avec de la fibre de verre de type mat (100%) est de l’ordre de 100,73 Kj/m2 par contre la variante N°1 qui est renforcé de fibre de verre de type tissé (100%) absorbe une énergie de rupture de 83,86 Kj/m2, l’énergie de rupture des autre éprouvettes se situe entre ces deux valeurs.

Les stratifiés renforcés avec des fibres de verre de type mat ont une meilleur résistance au choc Charpy que les stratifiés renforcés par des fibres de verre de type tissé.

V. CONCLUSION

L'étude consacrée aux propriétés mécaniques des matériaux composites transformés à partir de résine polyester et de fibre de verre conduit aux conclusions suivantes :

a) L'utilisation d'essais classiques de caractérisation (traction et flexion 3 points) permet de mettre en évidence l'influence de la nature de la fibre de verre sur les propriétés à rupture d'un stratifié verre/polyester. Les résultats obtenus montrent que les stratifiés renforcés par des fibres de verre de type tissé présentent de meilleurs caractéristiques mécaniques en traction et en flexion 3 points, comparativement à des stratifiés renforcés avec des fibres de type mat.

b) La rupture des composites n'est pas instantanée mais c’est l'aboutissement d'un cumul

d'endommagements [5-6-7-8]. Les résultats obtenus montrent que l'endommagement des stratifiés verre/polyester est fortement influencé par la nature de la fibre.

Afin de se rapprocher des sollicitations réellement subies par les composites à usage naval, des essais de choc Charpy ont été réalisés sur les trois variantes.

Les résultats obtenus montrent que les stratifiés renforcés par des fibres de verre de types mat résiste mieux au choc à l’opposé des stratifiés renforcés par des fibres de type tissé qui sont moins résistant au choc, par conséquence les fibres de verre de type mat sont les mieux placés pour être utilisés dans des structures navale.

Une étude des effets de l’environnement marin sur les propriétés du composite verre/polyester s’avère intéressante pour voir l’influence de la température et de

vieillissement en eau de mer sur les caractéristiques physico-chimique et mécanique des matériaux composites.

R

EFERENCES Thèses :

[1] J.CUGNONI, Identification par recalage modal et fréquentiel des propriétés constitutives de coques en matériaux composites, docteur ès sciences, Institut d'ingénierie des systèmes Ecole polytechnique fédérale de Lausanne, 2004.

[2] Y.PERROT, Contribution à l'étude des matériaux composites utilisés en construction navale de plaisance, Docteur, Université de Bretagne Sud, 2006.

Journal Papers :

[3] P. Krawczak et J.Pabiot, La mesure des porosités dans les composites industriels et leur incidence sur les propriétés mécaniques. Centre de Promotion des Composites, Paris.

Composites, n° 3 (1991), 291- 295.

[4] D.G. Aggelis, N.-M. Barkoula, T.E. Matikas, A.S. Paipetis, Acoustic structural health monitoring of composite materials:

Damage identification and evaluation in cross ply laminates using acoustic emission and ultrasonics, Composites Science and Technology 72 (2012) 1127–1133.

[5] F. Meraghni and M.L. Benzeggagh, Micromechanical modelling of matrix degradation in randomly oriented discoutinuous- fibre composites, Composites Science and Technology, 55 (1995), 171-186.

[6] F. Meraghni, C.J. Blakerman, M.L. Benzeggagh, Effects of interfacial decohesion on stiffness reduction in random discontinuous-fibre composite containing matrix microcracks, Composites Science and Technology, 56 (1996). 541-555.

Proceedings Papers:

[7] A. Bezazi, A. El Mahi, J-M. Berthelot, B. Bezzazi, Analyse de l’endommagement des stratifies en flexion 3-points (influence de la séquence d’empilement), XVème Congrès français de Mécanique (2001), Nancy, 3-7 Septembre.

[8] Bezazi, A. El Mahi, Berthelot J-M., B. Bezzazi. Experimental analysis of behaviour and damage of sandwich materials in 3- point. Strength of Materials, 41 (2009), 257-267.

N° de Variante 1 2 3

Energie de rupture Kj/m2

moyenne

83,86 84,59 100,73

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