Les composites sandwichs

Un panneau sandwich est l’assemblage des deux peaux liées à un noyau (âme) par un adhésif (Figure 2.5). Ils sont largement utilisés comme moyen de construire des structures légères à haute performance [61 , 62J. La rigidité et la résistance à la flexion sont données par les propriétés des peaux. Mis à part son rôle de transmettre le cisaillement entre les feuilles, un noyau avec de bonnes propriétés peut également contribuer à la résistance à la flexion, à la rigidité, au cisaillement et à la compression. Et inversement, il peut dégrader les performances totales de l’assemblage, s’il présente de moins bonnes propriétés mécaniques [61 , 63]. Typiquement, les noyaux sont fabriqués à l’aide de structures ondulées, en treillis ou en nid d’abeilles. Les matériaux les plus utilisés dans la fabrication du nid d’abeille sont l’aluminium[ll], les polymères (le coton en polypropylène) [23] et le Nomex (papier) [12, 13]. Les panneaux sandwich sont utilisés non seulement en raison de leurs avantages en termes d’économie de poids et de performances structurelles, mais aussi comme un moyen efficace de réduire les coûts [64]. Sun et al.[65] ont étudié les caractéristiques des panneaux sandwich avec des peaux en fibres de carbone avec une densité de 200 g/m2 et avec trois types d’âmes différents : en nid d’abeille, en grille d’aluminium et en nid d’abeille renforcé par une grille qui sont tous en aluminium. Il a démontré que le sandwich avec une âme en nid d’abeille renforcé par une grille en aluminium est la meilleure alternative parmi les trois proposées, pour une sollicitation en compression (Figure 2.6). Plusieurs chercheurs ont aussi travaillé pour développer l’utilisation des fibres naturelles dans des âmes de sandwichs composites. Stocchi et al. [66] ont étudié les caractéristiques d’ un noyau en nid d’abeille renforcé par des fibres naturelles sous compression à plat. Un tissu de jute est utilisé comme renfort dans une matrice thermodurcissable (vinylester). Dans cette étude, Stocchi a varié la taille de la cellule du noyau entre 6mm et lOmm. La figure 2.7 montre l’influence de la taille de la cellule sur la charge en compression, en comparaison avec d’autres sandwichs avec renfort à base d’aluminium et de Nomex.

Fabrication des couches en fibres courtes

Les échantillons sont fabriqués au Laboratoire de Mécanique et Eco-Matériaux «LMEM» de l’Université du Québec à Trois-Rivières «UQTR». Les fibres de lin utilisées dans ce travail ont été fournies par la société Safilin sous forme de mèches (Tex 5000) non traitées. Par la suite, les mèches sont coupées à une longueur de 5 à 10 mm en utilisant une tranche à papier haute performance. Pour la fabricat ion des mats à fibres courtes, on utilise la formette dynamique (Figure 3.1), fabriquée par la compagnie ALIMAND, pour faire des couches de fibres de lin. Cette machine est constituée d’un réservoir, d’une pompe, d’un bras vertical, équipé d’une buse d’injection à son extrémité, et d’un tambour à une tôle perforée muni d’un mouvement de rotation. Selon la fraction volumique désirée, on détermine la masse des fibres à mélanger dans le réservoir de la formette équipé d’un agitateur vertical. Le mélange (eau + fibre courte de lin) est ensuite pompé à travers de la buse, faisant un mouvement vertical de va et vient à l’intérieur du tambour rotatif, et qui projette les fibres sur la toile afin d’obtenir une répartition uniforme des fibres. Après l’extraction de la couche de fibres courtes dans la formette, la couche de fibres très humide passe dans une presse pour la comprimer (Figure 3.2-a) puis dans un séchoir de modèle Fomax (Figure 3.2-b) fabriqué par Adirondack Machine Corporation pour éliminer le résiduel d’eau par évaporation. On utilise ces étapes pour la fabrication des couches de densité surfacique de 400 g/m2 pour la fabrication des peaux et 100g/m2, 150 g/m2 et 200 g/m2 pour la fabrication du nid d’ abeille.

Classification des évènements acoustiques et des modes d’endommagement

L’analyse multi-variables permet de regrouper des événements acoustiques correspondants à certains phénomènes physiques se produisant à l’intérieur du composite alors qu’il est sollicité en compression. Spécifiquement, en fonction de la magnitude des événements localisés, les différents mécanismes de dommage et leur évolution au cours des tests de caractérisation peuvent être identifiés. Le tableau 4.2 présente des exemples de la littérature permettant d’identifier trois modes de dommages importants pour les composites sous charge Pour définir les limites d’amplitude acoustique de notre propre matériau, une analyse de données multivariée a été réalisée sur l’ensemble des données de tests de compression en utilisant l’algorithme fuzzy-k-means [67]. Les résultats sont présentés dans le tableau 4.3. Différentes amplitudes acoustiques, durée et nombre d’évènements sont attribués aux trois différents modes de dégradation que sont: la fissuration de la matrice (matrix cracking), l’arrachement de la fibre (fiber pull out) et la rupture de la fibre (fiber breakage). Les figures 4.4 A, B montrent les résultats pourNAIOO, tandis que les figures 4.4 C, D et 4.4 E, F montrent les résultats pour NAl50 et NA200, respectivement. Les amplitudes des événements acoustiques sont indiquées à gauche (A, C ët E), tandis que les courbes forcedéplacement corrélées aux courbes d’énergie acoustique cumulative de chaque mode de dommage sont indiquées à droite (B, D et F).

Différentes couleurs et symboles sont utilisés pour différencier les modes d’endommagement. En commençant par les amplitudes des événements acoustiques (courbes de gauche de la figure 4.4), on remarque que selon la couleur des points, le premier mode (fissuration de la matrice) commence tôt, à environ 0,5 mm du déplacement. Sa densité augmente jusqu’à la fin du test pour les trois densités de surface. L’arrachement de la fibre apparaît plus tard avec un déplacement d’environ Imm. Il commence par une densité inférieure à celle du premier mode et dans ce cas, sa densité diminue jusqu’à la fin du test. Le dernier mode, la rupture de fibre, semble être moins uniformément réparti et sa densité est assez faible comparée aux deux autres modes. Pour NAIOO, ce mode est presque dispersé sur toute la courbe. Mais pour NAl50 et NA200, ce mode indique une concentration dans la zone où le noyau s’effondre (après le pic). Pour NA200, ce mode est également presque absent dans la partie centrale du test et réapparaît à la fin du test.

Exemple d’utilisation du logiciel d’optimisation

Le tableau 4.5 présente des résultats de l’exécution d’un programme Matlab qui utilise les données des tests de compression et de flexion dans un modèle de réseau de neurones. Ce modèle alimente une fonction objective permettant une optimisation par algorithme génétique dont le but est de trouver la conception optimale d’un sandwich nid d’abeille répondant le mieux aux exigences de service (Figure 3.13). On rappelle ici la fonction objective: Équation 4.2 Avec Ci: consigne normalisée introduite par l’utilisateur pour la compression (CI) et la flexion (C2) yi : valeur normalisée prédite par le modèle pour la compression (YI), la flexion (Y2) et le W j : poids relatif donné à l’une des trois variables à optimiser La première simulation VIse à trouver le meilleur noyau pour une contrainte en compression la plus élevée. Puisque le poids w2 qui multiplie le nombre de couche est nul, cette valeur est ici non pertinente. La consigne cl est fixée à l , ce qui correspond à la valeur maximale de (J au tableau 4.1. On remarque alors que, sans surprise, l’algorithme converge vers le noyau le plus dense (200 g/m2). Pour la deuxième simulation, on VIse à obtenir un composite avec les meilleures propriétés en flexion. Cette fois-ci, c’ est le poids wl qui multiplie la densité de noyau qui est nul, cette valeur est donc non pertinente. La consigne c2 est fixée à 1, ce qui correspond à la valeur maxime de Tult au tableau 4.4. On constate que le programme converge correctement vers le nombre de couches le plus élevé, soit 4. Dans la troisième simulation on recherche le matériau le moins cher, peu importe les propriétés mécaniques. Dans ce cas on arrive correctement au sandwich ayant le moins de fibres (peaux 2 couches et noyau près de 100 g/m2 ). Finalement, la dernière simulation recherche un matériau dont le coût a le double d’importance que les 2 propriétés mécanique (compression et flexion). L’algorithme converge vers des peaux de 2 couches (moins de fibres) et une densité d’âme de 148,4060 g/m2 (pour maintenir des propriétés de compression et de flexion).