Etude du comportement des interfaces et des interphases dans les composites à fibres et à matrices

Kaflou Ali

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Sommaire Introduction générale………………………………………………………………………..9 Chapitre I - Les composites à fibre et à matrice céramique………………………….…..11 I.1. Introduction...................................................................................................................... 11 I.2. Les composites à matrice céramique SiC et à fibres SiC................................................. 12 I.3. Les fibres SiC................................................................................................................... 13 I.4. La matrice SiC...... 16 I.5. Rôle des interfaces et des interphases .............................................................................. 17 I.5.1. Interface fibre matrice très forte (interface liée) .......................................................... 18 I.5.2. atrice très faible (non liée)................................................................. 21 I.5.3. Interface fibre/matrice intermédiaire............................................................................ 22 I.5.4. L’interphase.................................................................................................................. 23 I.5.4.1. Déviation de fissure.................................................................................................. 23 I.5.4.2. Contrainte résiduelle thermique ............................................................................... 27 I.5.4.3. Transfert de charge entre ...

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Sommaire Introduction générale………………………………………………………………………..9 Chapitre I  Les composites à fibre et à matrice céramique………………………….…..11 I.1. Introduction...................................................................................................................... 11 I.2. Lescomposites à matrice céramique SiC et à fibres SiC................................................. 12 I.3. Lesfibres SiC................................................................................................................... 13 I.4. Lamatrice SiC..................................................................................................................16 I.5. Rôledes interfaces et des interphases ..............................................................................17  I.5.1.Interface fibre matrice très forte (interface liée) ..........................................................18  I.5.2.Interface fibre matrice très faible (non liée).................................................................21  I.5.3.Interface fibre/matrice intermédiaire............................................................................22  I.5.4.L’interphase.................................................................................................................. 23  I.5.4.1.Déviation de fissure..................................................................................................23  I.5.4.2.Contrainte résiduelle thermique ...............................................................................27  I.5.4.3.Transfert de charge entre fibre et matrice ................................................................28  I.5.4.4.Protection contre l’oxydation................................................................................... 28 I.6. Comportementmécanique des composites CMC en traction monotone .........................28 I.7. Conclusiondu Chapitre I.................................................................................................. 31 Chapitre II : Approche théorique du transfert de charge entre fibre et matrice ………… 33 Introduction .............................................................................................................................. 33 II.1. Approchesimple du transfert de charge.........................................................................34 II.2. Effetde la dilatation de Poisson pendant la sollicitation du composite........................ 36 II.3. Frottementconstant et frottement de Coulomb.............................................................. 42 II.3.1. Déplacementpendant la traction de la fibre : frottement de Coulomb.................... 46 II.3.1.1. Premierchargement ............................................................................................ 46 II.3.1.2. Déchargement/rechargement.............................................................................. 48 II.3.2. Déplacementpendant la traction de la fibre : frottement constant.......................... 50 II.4. Contraintesthermiques résiduelles.................................................................................52 II.4.1. Effetdes propriétés des composants sur les contraintes thermiques ..........................52 II.4.2. Effetde la contrainte thermique axiale sur les interactions fibre/matrice ..................56 II.5. Mesureexpérimentale des propriétés de l’interface.......................................................60 II.5.1. Exploitationde la fissuration matricielle.................................................................60 II.5.2. Testd’extraction de fibre (pull-out) ........................................................................62

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II.5.3. Latechnique d’indentation...................................................................................... 63 II.6. Conclusiondu Chapitre II .............................................................................................. 65 Chapitre III :Dispositif et matériaux testés………………………………………………67 III.1. Elaborationet préparation des matériaux...................................................................67 III.1.1. Matériauxétudiés et désignation................................................................................67 III.1.2. Présentationsuccincte du dispositif d’élaboration [RAPA 02]..................................68 III.1.3. Elaborationdes interphases multicouches nanoséquencées par P-CVI..................... 69 III.1.4. Elaborationde la matrice SiC par LP-ICVI (ICVI à pression réduite)...................... 70 III.1.5. Préparationdes échantillons pour les tests d’indentation ..........................................70 III.2. Méthodologiedes essais d’indentation ......................................................................71 III.3. Descriptiondu dispositif expérimental d’indentation................................................ 73 III.4. Observationdes fibres indentées par microscopie optique (MO) et microscopie à force atomique (AFM) ........................................................................................................75 Chapitre IV : Comportement de la fibre pendant l’indentation et de l’interface  pendantle glissement de la………………………………………………….77 Introduction........................................................................................................................... 77 IV.1. Indentation................................................................................................................. 78  IV.1.1. La technique d’indentation d’une pointe sur un plan.................................................78  IV.1.2. Théorie générale de l’indentation...............................................................................80  IV.1.3. Calibration de l’instrumentation ................................................................................ 86  IV.1.4. Approche énergétique ................................................................................................86  IV.1.5. Conclusion de cette première partie...........................................................................87  IV.2.Résultats expérimentaux ............................................................................................87  IV.2.1. Essai de micro-indentation instrumentée sur composite unidirectionnel...................89  IV.2.2. Description générale des courbes d’indentation ........................................................ 90  IV.2.3. Détermination de la correction du déplacement.........................................................92  IV.2.4. Courbes d’indentation réduites ..................................................................................95  IV.2.5. Modélisation de la courbe d’indentation corrigée......................................................96  IV.2.6. Détermination de contrainte de cisaillement interfacialτet de la contrainte critique de D décohésionσ f .......................................................................................................... 102 IV.2.6.1. Etudedu début du glissement (méthode A) ....................................................102 IV. 2.6.2.Etude du cycle d’hystérésis après le premier glissement (méthode B).......... 105

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IV.2.6.3. Analysede la globalité de la courbe avec l’hypothèse d’un cisaillement interfacial constant (méthode c)......................................................................................... 106 IV.2.6.4 Discussionsur l’usure en cours de glissement................................................. 106 IV.2.6.5 Discussionsur l’amorçage de la décohésion.................................................... 109 IV.2.6.6 Priseen compte du coefficient de Poisson des fibres et des matrice. ..............113 IV.3. Relationentre les paramètres interfaciaux mesurés et les caractéristiques des matériaux. .................................................................................................................................. 113 IV.3.1. Comportementinterfacial selon la nature de l’interface........................................114 IV.3.2. Comportementde l’interphase à la décohésion..................................................... 116 IV.3.3. Effetde l’épaisseur de l’interphase........................................................................119 IV.3.4. Effetde la vitesse de glissement sur le cisaillement interfacial.............................120 IV.4. Conclusiondu Chapitre IV ...................................................................................... 123 Chapitre V: Approche du comportement interfacial par les tests d’expression et de réimpression (pushoutetpushback V.1. L’essaid’expression et de réimpression ................................................................... 128 V.2. Lesdifférentes étapes observées lors d’un essai d’expression (pushout)................ 132 V.3. Résultatsrelatifs aux composites réalisés au LMI.................................................... 138 V.3.1 Mini-compositePyC320 .................................................................................... 138 V.3.2. Mini-compositeTiC2 ......................................................................................... 140 V.3.3 Mini-compositeTiC11....................................................................................... 143 V. 3.4.Mini-composite BN............................................................................................146 V. 3.5.Conclusion partielle sur ces essais ..................................................................... 148 V.4. Crochetde repositionnement .................................................................................... 149 V.5. Discussionsur le phénomène de décohésion............................................................ 154 V.6. Effetde la vitesse de glissement............................................................................... 158 V.7. Conclusiondu chapitre V.......................................................................................... 162 Conclusion générale…………………………………………………………...……………165 Références Bibliographiques………………………………….………………..………….169

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