3ème 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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INFLUENCE DE LA MODIFICATION DES MATRICES SUR LE COMPORTEMENT MECANIQUE EN TRACTION DES STRATIFIES
Aribi Chouaib, Irekti Amar, Halimi Rafik, Bezzazi Boudjema
Unité de recherche - Matériaux, Procédés et Environnement, Université M’Hamed Bougara, Boumerdès E-mail : [email protected]
Résumé :
Notre travail, se rapporte à l’étude du comportement mécanique des résines époxydes modifiées, soit par dilution du monomère afin d’augmenter le temps de gel et diminuer la viscosité, soit par l'incorporation des charges minérales. Les résultats de l’étude mettent en évidence l'influence de ces modifications sur les propriétés des matrices et des stratifiés.
La caractérisation des matrices et des stratifiés a été effectuée par les méthodes destructive, les résultats obtenus montrent que l’incorporation des charges minérales augmente la rigidité des matrices et diminue la transmission des efforts vers le renfort. Par contre, la dilution des résines diminue les performances des composites à base de ces matrices et améliore la transmission des efforts vers le renfort, cela se traduit par un module de Young élevé, la faiblesse de cette matrice engendre des délaminages dans les stratifiés même faiblement chargés. Tandis que, la destruction des matrices chargées s’effectue par des cisaillements sans délaminage.
Mot clés : charge, dilution, matrice, stratifié, délaminage, cisaillement.
1 Introduction
Les résines époxy présentent de bonnes performances physico-chimiques [1] mais leur prix limite leur utilisation. Pour remédier à ce problème les producteurs incorporent de différents ajouts et charges en modifiant ainsi les caractéristiques de ces résines [2]. Notre travail consiste à mener une étude de l’influence de différentes résines dont certaines contiennent des charges et d’autres des diluants sur le comportement en traction des stratifiés. Dans cette optique, nous avons considéré trois types de résines du fournisseur Algérien GRANITEX (Médapoxy AL, STR et 812INJ).
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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 2 L’incorporation des charges minérales sous forme de particules (sphériques ou lamellaires) avec un diamètre moyen de l’ordre de 15 μm, permettent d’augmenter la viscosité de la résine non réticulée, d’améliorer les propriétés mécaniques et thermiques du réseau réticulé et réduisent par conséquent, le cout de la matrice [5]. Les diluants réactifs sont incorporés à faible teneur dans une résine, ils font chuter la viscosité dans un rapport de 10 sans trop amoindrir les caractéristiques mécaniques. Ainsi, avec une amine aromatique en solution, la température de transition vitreuse baisse de 120o C à 100o C. Cependant, la chute des propriétés mécaniques est importante si on dépasse les 10 % de diluant dans la résine [6]. Dans la littérature nous avons remarqué que plusieurs travaux ont été réalisés sur la caractérisation des différents types de renforts et matrices [7, 8, 9]. Par contre, peu de travaux se sont intéressés à la caractérisation et l’étude de l’influence de la modification de la matrice sur le comportement des composites. Notre étude portera donc sur l’influence des propriétés de la matrice sur le comportement en traction des matériaux composites stratifiés
2 Matériaux et techniques d’élaboration
Les matrices utilisées sont de nature époxyde ; la résine notée par STR est une résine primaire ; par contre, la résine notée par INJ812 est modifiée par l’ajout de diluant afin faciliter le moulage sous vide.
Le rapport massique (Rm) entre le monomère et le durcisseur est donné par le fournisseur (Granitex) comme suit : matrice STR : Rm = 1,5, matrice 812INJ : Rm = 2 et la matrice AL Rm = 5.
Les éprouvettes résine sont élaborées à travers un moule sous forme d’haltère conformément à la norme ISO 527. En fonction de la viscosité de ces résines, les stratifiés [0,90]6 sont élaborés par deux méthodes. Pour la matrice AL qui présente une viscosité élevée, l’obtention de plaques stratifiées s’effectue par compression de 30 MPa à 80° C pendant deux heures. Pour les autres résines qui présentent une viscosité inférieure, les plaques composites sont élaborées sous vide (méthode du sac). La préparation d’éprouvettes stratifiées est conforme à la norme ASTM D3039. Cette dernière, répond aux exigences des conditions de l’essai de traction statique et cyclique par l’utilisation de talons en aluminium, ce qui permet d’éviter l’effet de glissements entre mors de serrage et éprouvette, qui bien souvent sont responsables de perturbations importantes dans les mesures effectuées[10]
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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 3 3. Résultats et discussion
3.1. Caractérisation des matrices
La figure 1 représente le comportement en traction des trois matrices utilisées, la figure 1.1 montre un comportement élasto-plastique de la matrice STR qui se caractérise par un module de Young de 2,53 GPa et une déformation de 3,6%. Le comportement de la matrice AL est fragile avec un module de Young deux fois plus important que celui de la matrice STR (5,44 GPa) et une déformation de 0,58% (figure 1.2). La matrice INJ812 présente des performances très limitées par rapport aux autres matrices (figure1.3), son module de Young est de 0,47 GPa avec une déformation remarquable de 15,93%.
Figure 1 : Comportement en traction des matrices STR, AL et INJ812.
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http://www.csc.dz/ic-wndt-mi12/index.php 4 3.2. Caractérisation des stratifiés
L’objectif de ces essais consiste à déterminer les paramètres de traction et le mode de rupture des éprouvettes élaborées à base de fibres de verre et les matrice STR, AL et INJ812. La figure 3 montre les courbes de traction obtenues.
Figure 2 : Comportement en traction des stratifiés.
(1) A base le matrice STR ; (2)A base le matrice AL ; (3)A base le matrice INJ812.
Ces essais sont réalisés sur des éprouvettes qui ont la même architecture (0, 90)6. Les résultats obtenus présentent des écarts remarquables. De plus, on note des modes de rupture non identiques pour chaque type de stratifié. En effet, l’élasticité du stratifié STR est comprise entre 0 et 2%. Cette valeur représente la déformation à la rupture du renfort utilisé, le module de Young est de 17,85
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La limite de rupture du stratifié à base de résine AL s’effectue pour une déformation de 1,65%, et on note une rupture franche (cassure). Cette valeur de déformation est inférieure à celle du renfort (2%), le module de Young est de 17,06 GPa.
Pour le stratifié à base de résine INJ812, le délaminage se manifeste à la limite de la zone élastique qui est autour de 1,5% de déformation. Cette valeur est inférieure à la valeur de la déformation du renfort utilisé. Le délaminage continu dans la zone plastique sans rupture jusqu’à l’arrêt de l’essai (figure 4).
La contrainte maximale du stratifié S-STR est de 395 MPa. Cette valeur est plus importante que les deux autres stratifiés qui ont des valeurs de 328 et 236 MPa respectivement pour S-INJ812 et S-AL.
Par contre, le module de Young du stratifie S-INJ812 présente une valeur plus importante de l’ordre de 19,51 GPa, ce qui montre une meilleure transmission des efforts vers le renfort dans le cas de cette résine. Cette transmission des efforts vers le renfort se dégrade dans le cas de la matrice AL modifiée par l’incorporation des charges.
S-INJ812
CisaillementS-STR S-AL
Cisaillement Délaminage
Figure 3 : Mode de rupture par essai de traction sur stratifiés.
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4. Conclusion
Cette étude réalisée sur des résines époxydes modifiées, soit par dilution du monomère (pour augmenter le temps de gel et diminuer la viscosité), soit par l'incorporation des charges, donne des résultats qui mettent en évidence l'influence de ces changements sur les propriétés des matrices et des stratifiés. L'incorporation des charges dans les matrices époxydes augmente leur fragilité. On note une rigidité deux fois plus importante que celles des matrices STR. Par contre, l'effet des diluants provoque une chute de 5 à 6 fois le module de Young, et une augmentation de 4 à 5 fois la déformation. L'essai de fragmentation montre que les charges jouent le rôle de l'ensimage. Le stratifié à base de la matrice INJ812 présente un comportement plastique très important avec une faible contrainte maximale. On note une meilleure transmission des efforts aux renforts, ce qui provoque le délaminage avant la déformation totale du renfort.
Les charges incorporées dans la matrice Al augmentent la fragilité ainsi que la rigidité de la matrice en diminuant la déformation des stratifiés jusqu'à une valeur inférieure à celle du renfort utilisé, ce qui diminue la transmission des efforts vers le renfort et engendre des ruptures franches (sans délaminage).
Bibliographie
[1] J.M. Berthelot, Composite Materials. Mechanical Behavior and Structural Analysis,
Springer, New York (1999).[2] Pierre Bardonnet, Résines époxydes (EP), composants et propriétés, Techniques de l’Ingénieur, traité Plastiques et Composites, A 3 465 – 2.
[3] Debdatta Ratna, Epoxy Composites: Impact Resistance and Flame Retardancy, Volume 16, Number 5, 2005, rapra technology, ISBN: 978-1-84735-065-7.
[4] C. A. Naudin, C. Clozza, Les charges, technique d’ingénieur A3220-3.
[5] L. H. Sperling, Introduction to physical polymer science / L.H. Sperling.—4th ed, John Wiley & Sons 2006, ISBN-13 978-0-471-70606-9, p. 397-400.
[6] M. Petrie Edward, Epoxy Adhesive Formulations, McGraw-Hill Professional
Publisher DIO: 10.1036/0071455442, 2005, ISBN 0071455442.
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