Ageing of a carbon/epoxy composite for aeronautic applications
Vieillissement de matériaux composites carbone/époxy pour applications aéronautiques
Résumé
At elevated temperature, the matrix oxidation is mainly involved in the thermal degradation of carbon-epoxy composite material. Indeed an oxidized thin layer is built up at the material surface, which induces a weight loss and a mechanical behavior weakening. The aim of this work is to predict such phenomenon through a realistic model built on the interaction of the material with the surrounding atmosphere. Low thickness samples of epoxy matrix and three carbon-epoxy laminates (UD, [03/903]s and [453/-453]s) are used for experimental study. For modeling the behaviour, a kinetic model of radical chain oxidation coupled with oxygen diffusion is used. It is based on a "close-loop" oxidation mechanistic scheme and gives the theoretical concentration profile of oxidation products in the sample thickness versus the ageing time. Thicknesses of the oxidized layers and weight losses are then deduced. One of the key parameters which governs the matrix oxidation is the oxygen diffusion. It was experimentally measured at various temperatures for various epoxy matrix and UD composite. Numerical results are compared to experimental ones to check the validity of the model. A good agreement between experimental and numerical results of weight loss and oxidized layer thicknesses is obtained. The failure of composite parts exposed at elevated temperature for a long period results mostly from the thermal oxidation of the matrix. This one involves an embrittlement of the oxidized layers. Experimental study of the mechanical behavior shows a decrease of the elastic modulus and fracture properties. Toughness seems also to decrease after ageing. Cracks created on the edges can induce a total embrittlement and change drastically the mechanical behavior of the material.
Les stratifiés composites exposés à haute température subissent une dégradation induite principalement par la thermo-oxydation de la matrice. Celle-ci se manifeste par la formation d'une couche oxydée de faible épaisseur à la surface des pièces. Ce phénomène superficiel induit une perte de masse et provoque une modification du comportement mécanique. L'objectif de cette étude est la prévision du comportement et l'évolution des propriétés de la matrice époxy et de trois stratifiés époxy-carbone (UD, [03/903]s et [453/-453]s) soumis à un vieillissement isotherme ou un cyclage thermique sous environnement oxydant. Un modèle de simulation fondé sur un schéma standard d'oxydation de la matrice couplé avec l'équation de diffusion de l'oxygène a été mis en place, il permet de prédire le profil de la concentration des produits d'oxydation à partir duquel on détermine les épaisseurs des couches oxydées et les pertes de masse. Ce modèle a été validé dans le cas du vieillissement isotherme et du cyclage thermique du composite UD. L'accord entre la théorie et l'expérience est excellent pour la perte de masse jusqu'à l'apparition des fissures et acceptable pour les épaisseurs de couche oxydée. La thermo-oxydation de la matrice induit une fragilisation de la zone de peau dont les propriétés mécaniques sont différentes de celles du coeur du matériau. L'étude expérimentale des propriétés mécaniques instantanées de la couche oxydée montre une chute du module d'Young et des propriétés à la rupture au cours du vieillissement. De même la ténacité de la couche oxydée de la matrice diminue en fonction de l'avancement de l'oxydation. Les fissures sont créées sur les bords et se propagent vers le coeur de l'échantillon au fur et à mesure que le matériau est vieilli. Elles peuvent induire une fragilisation totale et un changement global du comportement mécanique de l'échantillon.