Impact behaviour of carbon/polymer composites made by hot pressing moulding. Experimental and comparative study
Résumé
Dans cet article, il est question de la tenue au choc des principaux composites à hautes performances mécaniques en carbone/polylmère rencontrés dans les structures aéronautiques. Les matériaux fabriqués par thermoformage à haute pression puis sont soumis à des impacts de forte énergie allant de 8 à 70 joules. Ces échantillons impactés sont ensuite inspectés aux rayons X puis soumis à un essai de compression avant et après vieillissement hygrothermique jusqu’à saturation dans une enceinte maintenue à 85% d’humidité relative (RH) et 70°C. Les radiographies montrent d’une part que la propagation des dommages s’opère suivant l’orientation des plis et que l’armure des matériaux a une influence sur l’étendue des dommages qui est plus importante pour les UD que pour les tissus. Les profils d’énergie quant à eux nous montrent clairement qu’il n’y a pas de propagation brusque de fissures ou de délaminages dans les matériaux à matrices thermoplastiques(TP), contrairement au cas des matériaux à matrices thermodurcies(TD) dont les profils sont plus chaotiques et en accord avec leur faible capacité par rapport aux TP à dissiper de fortes énergies d’impact. Par ailleurs, on remarque que tous les matériaux aussi bien à matrice TP que TD présentent une loi de décroissance identique de leur résistance résiduelle avec l’énergie incidente avec un seuil d’énergie au-delà duquel le choc n’a plus aucun effet sur la résistance résiduelle. Il en ressort en général que les composites à matrices TP sont mieux que ceux à matrices TD et que les tissus sont mieux que les UD. De plus, l’utilisation des fibres de carbone craquées avec certaines matrices TP n’altère pas leur forte capacité à dissiper l’énergie. Enfin, pour ce qui est de l’influence des conditions sévères (humidité et température), les matériaux à matrice PEI et Epoxy M77 qui sont ceux sollicités le plus loin de leur transition vitreuse (Tg) apparaissent curieusement comme les plus affectées. Cela est la preuve qu’une Tg élevée de la matrice ne signifie pas forcément une meilleure tenue mécanique en température.
This paper deals with the impact and post-impact behaviour of carbon/polymer composites manufactured by a high pressure thermoforming process. The materials are subjected to a drop-weight impact with high incident energies. They are then subjected to the compression test after an X-ray scan and a hygrothermal ageing until saturation. X-ray analysis shows firstly that the damages propagation is related to the plies orientation, and that the damage’s spread is higher in the UD than in the woven fabric. The energy profiles show clearly that there is no sudden propagation of matrix cracks and delaminations in thermoplastic matrix composites, contrary to the thermoset matrix composites. Moreover, we note that the residual strength of all materials with both thermoplastic and Thermoset matrix have an identical decay law, with an energy threshold below which the shock has no more effects on the compression performances. In general, thermoplastic matrix composites show better residual strength than those with thermoset matrix and the use of stretch-broken carbon fibers do not alter their high damage tolerance. Finally, concerning the influence of severe environmental conditions, the PEI and Epoxy M77 matrix composites are the most sensitive. In fact, they exhibit dramatic drop of their post-impact compression strength although they are tested far away from their glass transition temperature (Tg). This proves that a high value of glass transition temperature does not necessarily mean a better mechanical resistance at high temperature.