Behaviour analysis of carbon-epoxy laminates under high-speed loading: manufacture of the same materials by means of microwave curing for comparison
Analyse du comportement de stratifiés carbone/époxy sous sollicitation rapide: élaboration par électrothermie diélectrique d'un même matériau pour comparaison
Résumé
The context of the present study is the optimisation of laminated composites used in stafety strucures for aircraft. The function of theses structures is to protect the passengers in case of a crash by aborbing a maximum of the impact energy. The structures consist of a multi-layer laminate composed of several sub-laminates. Among the latter are the carbon-epoxy laminates analysed in this study. The ability of the material to absorb mechanical energy is essentially due to the damageability of its microstructure. In ordrer to optimise the multi-lyayer laminate in terms of energy absorption, reliable data on the mechanical properties of the sub-laminates are needed at both the initial and the damaged state. The behavoiur of the materials depends on several factors as the manufacturing process, the direction of the applied mechanical load and the lading rate. Within this context, this reserach project follows an interdicisplinayr approach aiming at building a link between the manufacturing process, the microstruture of the produced laminate and its mechanical properties. This approach splits into the three principal subjects of the present study. The first one deals with the manufacturing process: the conventional thermal curing by means of an autoclave is compared to an alternative process based on microwave heating. The other two subjects treat the behaviour of the material under high-speed loading. The influence of the loading rate on the material's mechanical behaviour is analysed for two different loading conditions: off-axis tensile loading (load applied under 45 ° with respect to the reinforcing fibres) and mode l loading, leading to ply delamination. The implemented work includes the development of the necessary experimental means as well as the analysis of the studied composites through observations at the macroscopic and the microscopic scale. Particular attention has been paid to the damage mechanisms since they account for the ability of the material ot absorb the energy of a crash.
Le présent travail s'inscrit dans le contexte de la mise au point de composites stratifiés utilisés dans des structures de sécurité de crash en avion et en hélicoptère. En cas d'accident grave, ces structures ont pour mission d'aborber au maximum l'énergie de l'impact pour protéger les passagers. Elles sont constituées d'un stratifié multicouche composé d'un empilement de plusieurs sous-stratifiés dont les stratifiés carbone/époxy de cette étude. La capacité du matériau à absorber de l'énergie mécanique est essentiellement liée au caractère endommageable de sa microstructure. Afin de pouvoir optimiser le stratifié multicouche, on s'intéresse aux propriétés mécaniques et à l'endommagement des sous-stratifiés. Le comportement des stratifiés carbone/époxy dépend de plusieurs facteurs parmi lesquels figurent le procédé d'élaboration, le mode de chargement mécanique et la vitesse de solliciation. Dans ce contexte, le projet de recherche réalisé suit une approche pluridisiciplinaire ayant pour objectif d'établir un lien entre le procédé d'élaboration, la microstructure du matériau créé et les propriétés mécaniques en résultant. Cette approche se décline en trois thèmes abordés dans le présent travail. Un premier thème porte sur le procédé d'élaboration: le procédé conventionnel en autoclave est comparé à un procédé alternatif basé sur le chauffage par micro-ondes. Les deux autres thèses concernent la réponse du matériau à une sollication mécanique à vitesse élevée. L'influence de la vitesse sur le comportement mécanique du stratifié est analysée pour deux modes de chargement: la traction appliquée sous 45° par rapport au renfort (traction "hors axe") et la sollicitation en mode l entrainant le délaminage des plis. Les travaux effectués commprennent le développement de moyens expérimentaux ainsi que l'analyse des matériaux par des observations macroscopiques et microscopiques. Un intérêt particulier est porté aux phénomènes d'endomagement responsables de la capacité du matériau à abosrber l'énergie d'un crash.