Study of the performance of a carbon/epoxy composite doped with nanofillers under severe stress
Étude des performances d’un composite carbone/époxy dopé par des nanocharges sous des sollicitations sévères
Résumé
This thesis work was carried out in a context of valorization of composite materials based on nanofillers. The knowledge of the mechanical behavior of nanocomposites doped by nanofillers submitted to high dynamic loading is an important data for the designers of composite structures dedicated to civil and military applications. This behavior must be characterized in a wide range of deformation; for strain rates in the range of 10² to 10⁵s⁻¹. Particular attention is devoted to the Hopkinson pressure bar system (SHPB) because of its frequent use in such a wide range of deformation which corresponds to the strain rate deformation range of most industrial applications. In this context, we first conducted a study focused on the effect of nanofillers on the dynamic behavior and damage kinetics of a carbon/epoxy composite. We have chosen two types of nanofillers with similar chemical compositions (based on pure carbon) but two different geometries (quasi-1D for carbon nanotubes (CNT) and 2D for graphene nanoplatelets (GNP). The two series of nanocomposites CNT and GNP were prepared under the same conditions while using common mass fractions (0.5%, 1% and 2%) in order to conduct a comparative study of the two nanocomposite systems. A dynamic compression test (in-plane (IP) and out-of-plane (OP)) and a numerical study were conducted. It has been shown that the dynamic behavior and damage kinetics of the materials are very sensitive to the strain rate and the direction of solicitation. The results of these tests also allowed us to understand the influence of the addition of nanofillers on the response of the materials. The percentage of 1% GNP shows optimal performances in stiffness, maximum stress and resistance to damage. However, nanocomposites can be very sensitive to environmental conditions, in particular to hygrothermal aging that can reduce the mechanical performances. Therefore, the effect of hygrothermal aging (60°C/80%RH) on the lifetime of nanocomposites is studied experimentally (in-plane loading). Decreases of different mechanical properties as a function of time (15, 40 and 100 days) and absorbed water content are highlighted for each mass fraction. However, it was shown that the introduction of nanofillers, except in the case of 0.5% CNT, leads to a more significant degradation of the reference composite.
Ce travail de thèse a été réalisé dans un contexte de valorisation des matériaux composites à base de nanocharges. La connaissance du comportement mécanique des nanocomposites dopés par des nanocharges soumis à des sollicitations dynamiques sévères est une donnée importante pour les concepteurs des structures composites dédiées aux applications civiles et militaires. Ce comportement doit être caractérisé dans un large domaine de déformation ; pour des vitesses de déformation pouvant atteindre 10⁵s⁻¹. Une attention particulière est portée au système des barres d’Hopkinson (SHPB) en raison de son utilisation fréquente dans une telle gamme de vitesses de déformation qui correspond à la gamme de vitesses de la plupart des applications industrielles. Dans ce contexte, nous avons mené dans un premier temps une étude centrée sur l’effet des nanocharges sur le comportement dynamique et la cinétique de l’endommagement d’un composite de référence à base de fibres de carbone noyées dans une matrice époxy. Nous avons opté pour le choix de deux types de nanocharges présentant une compositions chimiques pareilles (basé sur le carbone pur) mais deux géométries différentes (quasi-1D pour les nanotubes de carbone (NTC) et 2D pour les nanofeuillets de graphène (GNP)). On a préparé les deux séries de nanocomposites NTC et GNP dans les mêmes conditions tout en utilisant des fractions massiques communes (0.5%, 1% et 2%) pour pouvoir mener une étude comparative concernant les deux systèmes. Une campagne d’essais de compression dynamique, hors-plan (OP) et dans le plan (IP) et, ainsi qu’une étude numérique ont été menées. Il a été démontré que le comportement dynamique et la cinétique d’endommagement des matériaux sont très sensibles à la vitesse de déformation et à la direction de sollicitation. Les résultats de ces essais nous ont aussi permis d’appréhender l’influence de l’ajout des nanocharges sur la réponse des matériaux. Le pourcentage de 1% GNP montre des performances optimales en rigidité, contrainte maximale et résistance à l’endommagement. Toutefois, les nanocomposites peuvent être très sensibles aux conditions environnementales, en particulier au vieillissement hygrothermique qui peut réduire leurs performances mécaniques. De ce fait, l’effet du vieillissement hygrothermique (60°C/80% HR) sur la durée de vie des nanocomposites est alors étudié expérimentalement (chargement dans le plan). Des baisses de différentes propriétés mécaniques en fonction du temps (15, 40 et 100 jours) et de la teneur en eau absorbée sont mises en évidence pour chaque fraction massique. Cependant, il a été démontré que l’introduction de nanocharges, sauf dans le cas 0.5% NTC, entraine une dégradation plus importante du composite de référence.
Origine : Version validée par le jury (STAR)