Étude comparative sur la propagation de l’endommagement après impact des composites carbone/époxy renforcés par piquage au fil Kevlar et TI-NI

Résumé

Les matériaux composites stratifiés présentent des propriétés mécaniques enviables dans le plan des couches de fibres, mais ils ont également une faiblesse naturelle dans la direction de l’épaisseur. Cette faiblesse peut donner lieu à l’apparition de zones délaminées invisibles à l’oeil nu, particulièrement lors d’un impact à faible vitesse. Par conséquent, beaucoup de travaux de recherche ont été dédiés à l’étude de méthodes de renfort interlaminaire pour les stratifiés, dont notamment l’insertion de coutures transversales. Ce projet de recherche propose donc d’utiliser la technique de couture avec un fil métallique en alliage TiNi présentant un comportement superélastique. La combinaison de ces deux éléments devrait permettre l’amélioration de la résistance à la propagation du délaminage lors d’un chargement en flexion. En premier lieu, un modèle numérique a été développé pour servir d’outil d’analyse des structures composites. Le modèle 3-D a été construit dans l’environnement ANSYS à partir d’éléments solides à 20 noeuds et d’éléments shell à 8 noeuds. La technique d’endommagement progressif a été implémentée, permettant ainsi de prédire la propagation du délaminage dans une plaque stratifiée soumise à différents chargements. Le modèle a d’abord été validé en traction quasi-statique avant d’être utilisé pour simuler des essais de flexion trois-points. Par la suite, des plaques de composite carbone/époxy ont été fabriquées, chaque plaque comprenant des échantillons renforcés de couture et d’autres non renforcés. Deux types de renforts ont été utilisés : des fils TiNi superélastiques et des fils de Kevlar, à titre de référence. Les plaques renforcées ont été découpées pour permettre l’observation des coutures internes au microscope optique. Des essais standardisés d’impact à faible vitesse et de compression résiduelle après impact ont été menés (ASTM D7136 et D7137) sur les échantillons renforcés et non renforcés. Les renforts de Kevlar se sont montrés les plus performants pour réduire la zone endommagée après impact, ainsi que pour améliorer la résistance résiduelle en compression. Les renforts de TiNi ont tout de même présenté une amélioration encourageante pour ce qui est de la performance lors de l’impact, alors que la différence lors de l’essai de compression s’est avérée très faible par rapport aux échantillons non renforcés. En troisième lieu, la performance en flexion trois-points des échantillons a été quantifiée expérimentalement en calculant l’énergie nécessaire pour créer un volume unitaire de matériau endommagé (Gv, J/mm3). Ce paramètre s’apparente au taux de restitution de l’énergie de déformation (Strain Energy Release Rate) communément rencontré dans les travaux sur le délaminage. Les résultats ont montré que bien que les renforts de Kevlar permettaient d’améliorer la ténacité à l’endommagement lors de l’impact, cette performance n’était pas entièrement reportée sur la ténacité à l’endommagement durant l’essai de flexion. Ainsi, en relativisant l’énergie de déformation dégagée lors de la propagation du délaminage par rapport au volume de délaminage engendré, on constate que les renforts de TiNi augmentent la valeur de cette résistance à l’endommagement. Finalement, l’étude numérique du comportement des renforts a permis d’identifier des différences qui étaient imperceptibles sur les courbes Force-Déplacement. Les deux types de renforts semblent favoriser la propagation interlaminaire du délaminage lors de la flexion, bien que ce comportement soit moins prononcé dans le cas du TiNi. Cependant, les fils de Kevlar semblent plus efficaces pour freiner la propagation latérale du délaminage entre les lignes de couture.

Date	14 déc. 2012
langue originale	Français
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Vladimir Brailovski (Directeur(-trice)) & Patrick Terriault (Codirecteur(-trice))