Mécanismes d’endommagement à l’origine des réseaux de fissures dans les composites stratifiés

Un matériau composite stratifié est obtenu par l’empilement de couches élémen- taires, appelées plis. Chaque pli est un assemblage de renfort fibreux dont la cohésion est assurée par une matrice. Le renfort présente en général de bonnes propriétés mé- caniques (module et contrainte à la rupture élevés), tandis que la matrice est souvent plus souple et plus déformable que le renfort afin d’assurer le transfert des sollici- tations mécaniques au renfort. Dans cette étude on s’intéressera aux stratifiés de plis unidirectionnels à fibre continue, c’est à dire que dans chaque pli, les fibres sont toutes parallèles et définissent l’orientation du pli.La structure des composites stratifiés est donc fortement hétérogène et multi- échelles. On peut distinguer : l’empilement de plis d’orientations différentes, qui constitue la pièce (échelle macroscopique), les plis (échelle mésoscopique), les consti- tuants élémentaires que sont les fibres et la matrice (échelle microscopique), voire même l’interface entre fibre et matrice où un ensimage peut jouer un rôle essentiel sur la cohésion des fibres et de la matrice à des échelles sub-microniques. Le com- portement mécanique et les dégradations du matériau sont liés à cette organisation multi-échelles. En fonction de l’échelle choisie, on pourra donc modéliser le matériau et les dégradations qui s’y produisent plus ou moins finement.

Pour décrire un stratifié composé de plis unidirectionnels, il est nécessaire de connaître la séquence d’empilement, c’est à dire l’ordre et l’orientation de chaque pli. Pour cela, on définit un repère matériau (x1,x2,x3), attaché à chaque pli et où 1 désigne la direction des fibres, 2 la direction transverse (dans le plan du pli), et 3 la direction (transverse) hors plan. On définit également un repère structure (x,y,z) où x est l’axe de référence. Dans le cas d’un chargement uniaxial, l’axe de référence correspond à la direction de chargement ; dans le cas d’une structure cylindrique, c’est généralement l’axe de révolution. Les deux repères sont représentés en Figure 1.1. Par ailleurs il est à noter que du point de vue mécanique, plusieurs plis consécutifs de même orientation se comportent comme une couche unique. Un tel groupe de plis sera désigné dans la suite de ce mémoire par le terme «couche».La forte hétérogénéité de la structure des stratifiés, en particulier les différences de propriétés mécaniques i) des constituants à l’échelle microscopique, et ii) des couches de différentes orientations à l’échelle mésoscopique, a pour conséquence une hétérogénéité du champ de contraintes. À cela s’ajoutent les contraintes résiduelles qui apparaissent lorsque l’on s’éloigne de la température à laquelle le stratifié est considéré libre de contraintes (température proche de la température de polyméri- sation) et qui sont dues aux différences de coefficients de dilatation thermique dans la direction des fibres et dans les directions transverses à l’échelle des plis. L’hété- rogénéité des contraintes et des propriétés pilotent les mécanismes de dégradation du matériau aux différentes échelles, qui à leur tour modifient les propriétés phy- siques et mécaniques de la structure. L’ensemble de ces dégradations est regroupé sous le terme «mécanismes d’endommagement». Ceux-ci sont illustrés en Figure 1.2. L’accumulation des dégradations mène généralement à la perte des fonctions requises par le cahier des charges, voire à la ruine de la structure, d’où la nécessité de les comprendre et de les prendre en compte pour dimensionner une structure.

Les premiers mécanismes d’endommagement apparaissent à l’échelle microsco- pique avec la décohésion des fibres et de la matrice par rupture de l’interface, accom- pagnée de microfissuration matricielle. Ces microdommages coalescent jusqu’à for- mer des fissures à l’échelle du pli [Nairn and Hu, 1992]. Ces fissures se propagent pa- rallèlement aux fibres dans l’épaisseur et la longueur des couches sollicitées transver- salement. On parle de fissuration transverse ou d’endommagement intra-laminaire.