Etude comparative du comportement composites à matrice thermoplastique ou thermodurcissable, Comparative study of the behavior of thermoplastic or thermoset matrix comosites

Institut National des Sciences Appliquées de Rouen



Thèse

Soutenue le 8 décembre 2009

Jérémie AUCHER

Pour obtenir le grade de


Docteur de l’Institut National des Sciences Appliquées de Rouen

Discipline : Mécanique


Ecole Doctorale SPMII




Etude comparative du
comportement de composites à
matrice thermoplastique ou
thermodurcissable





Membres du Jury :

M. BILLOËT J.-L., Président Professeur des Universités à l’ENSAM Paris
M. RENARD J., Rapporteur Professeur des Universités à l’ENSMP
M. THIEBAUD F., Rapporteur Professeur des Universités à l’Université de
Franche-Comté
M. BOUVET C., Examinateur Maître de conférences – HDR à l’Université
Paul Sabatier Toulouse
Mme SELLIER M.-E., Examinateur Adjointe au Chef de Département Matériaux et
Procédés, AIRCELLE
M. TALEB L., Directeur de thèse Professeur des Universités à l’INSA de Rouen
M. VIEILLE B., Co-encadrant Maître de conférences à l’INSA de Rouen


Groupe de Physique des Matériaux, Equipe ERMECA, UMR 6634 CNRS – INSA Rouen
Avenue de l’Université – 76801 Saint –Etienne du Rouvray
A mon Grand Père, A mes Parents,

A mon Frère,
Remerciements
Pour commencer, je tiens à remercier la Société AIRCELLE ainsi que la Région
Haute-Normandie pour le financement de cette thèse.
Cette thèse a été effectuée à l'Institut National des Sciences Appliquées de Rouen au
sein de l'équipe ERMECA du Groupe de Physique des Matériaux, sous la direction de
M. Lakhdar TALEB que je remercie pour son soutien et ses remarques enrichissantes.
Je tiens à exprimer ma très vive reconnaissance à M. Benoit VIEILLE pour son
encadrement tout au long de ces trois années, ses nombreux conseils, son aide, sa
disponibilité…
J'exprime ma profonde gratitude à M. Jean-Louis BILLOËT de m'avoir fait l'honneur
de présider mon jury de thèse, à Messieurs Jacques RENARD et Frédéric
THIEBAUD qui ont accepté d'être les rapporteurs de cette thèse. Je tiens également
à remercier Mme. Marie-Elodie SELLIER et M. Christophe BOUVET qui m'ont
honoré de leur présence dans mon jury.
J'adresse également mes remerciements aux personnes associées à ce travail dans le
cadre du projet TOUPIE.
Je tiens aussi à remercier toutes les personnes de l'INSA qui m'ont apporté leur aide
et leur soutien au cours de ces années. Tout d'abord, Danielle & Agnès pour leur
gentillesse et leur efficacité dans l'exécution des tâches administratives. Franck &
Yannick pour la résolution des problèmes informatiques et du "débogage" du MEB.
Francis, David & Stéphane, pour leur sympathie et les petites choses usinées.
Benjamin, pour le tournevis dynamométrique. Christophe pour les longues discussions
et les remplacements de TP entre deux collages de jauges. Et bien évidemment Mike
pour les promenades, les discussions et les coups de pouce en anglais autour d'un
verre.
Enfin, je remercie les "petits thésards" et amis pour leur soutien, les discussions
enrichissantes et les bons moments passés ensemble… Tables des matières
Introduction ......................................................................................... 1

Chapitre 1 : Position du problème .................................................. 5
q
1.1. Les matériaux composites ....................................................... 5
1.1.1 Le renfort ............................................................................ 6
1.1.2 La matrice ........................................................................... 6
1.1.3. Composites à matrice organique : les polymères ...................... 7
1.2. Contexte de l’étude ................................................................ 15
1.3. Objectifs de l’étude ............................................................... 16
1.4. Quels matériaux pour l’application nacelle ? ........................ 18
1.4.1. Choix du renfort .......................................................................... 19
1.4.2. Choix de la matrice ..................................................................... 22
1.5. Coût de la matière ................................................................ 23
1.6. Conclusion ............................................................................. 23

Chapitre 2 : Etat de l’art sur les études du comportement des
composites thermoplastiques et thermodurcissables :
Analyse comparative ....................................................................... 25
q
2.1. Comparaison des mécanismes d’endommagement .............. 25
2.1.1. Mécanismes d’endommagement des stratifiés à plis UD ........... 27
2.1.2. Mécanismes d’endommagement des stratifiés à plis tissés ........ 29
2.2. Bibliographie comparative du comportement des stratifiés
thermodurcissables et thermoplastiques ......................................... 35
2.2.1. Essais de traction ......................................................................... 35
2.2.2. Essais de compression après impact ........................................... 38
2.2.3. Essais de traction trouée.............................................................. 39
2.2.4. Essais de compression trouée ..................................................... 43
2.3. Influences des conditions environnementales sur le
comportement de stratifiés thermodurcissable et thermoplastique . 45
2.3.1. Influence de la température ......................................................... 46
2.3.2. Influence du vieillissement humide ............................................ 53

i
Etude comparative du comportement de composites à matrice thermoplastique ou thermodurcissable

2.4. Conclusion ............................................................................. 64
s
Chapitre 3 : Position du problème ......................................... 65
q
3.1. Procédure de réalisation des essais ....................................... 65
3.2. Propriétés des éléments constitutifs ...................................... 67
3.2.1. Le renfort..................................................................................... 67
3.2.2. La matrice ................................................................................... 68
3.2.3. Le stratifié ....................................................................................... 71
3.3. Essais monotones classiques ................................................. 73
3.3.1. Traction lisse ..................................................................... 73
3.3.2. Traction trouée ............................................................................ 79
3.3.3. Essai de traction hors-axes sur stratifié tissé [45] : n
essai de cisaillement plan .......................................................................... 84
3.3.4. Essais de compression................................................................. 97
3.3.5. Essai de flexion 3 points ........................................................... 104
3.3.6. Essai de Cisaillement Inter Laminaire (C.I.L.) ......................... 112
3.4. Comportements des assemblages boulonnés ...................... 120
3.4.1. Essais sur assemblages boulonnés composite stratifié/métal .. 120
3.4.2. Eléments de bibliographie sur le comportement des joints
boulonnés ................................................................................................ 124
3.4.3. Essai de double recouvrement .................................................. 132
3.4.4. Essai de simple recouvrement ................................................... 144
3.5. Conclusion ........................................................................... 154
s
Chapitre 4 : Critères de rupture et simulation du comportement
de stratifiés tissés troués...................................................... 157
q
4.1. Prédiction de la rupture des stratifiés lisses ........................ 157
4.1.1. Critères tensoriels quadratiques ................................................ 158
4.1.2. Critères phénoménologiques ..................................................... 160
4.1.3. Application des critères de rupture aux stratifiés étudiés ........ 161
4.2. Prédiction de la rupture des stratifiés troués ....................... 164
4.2.1. Critères de Whitney et Nuismer ................................................ 164
4.