Introduction
Les propriétés mécaniques des polymères sont souvent améliorées par l'ajout de fibres. L'augmentation de la rigidité, de la résistance et du module de fluage qui en résulte permet de réaliser de nombreuses applications sophistiquées. Alors que dans les essais mécaniques statiques, différents modes de charge (tension, pression, cisaillement ou flexion) sont utilisés, dans l'analyse mécanique dynamique (DMA), les essais sont presque exclusivement réalisés en mode de flexion en raison de la rigidité élevée de l'échantillon. Avec le DMA GABO à charge élevée Eplexor®, cependant, ces matériaux peuvent également être testés en traction. Dans cette note d'application, les différences entre le comportement d'un composite en mode traction et en mode flexion sont donc examinées plus en détail.
A titre d'exemple, un composite polypropylène-fibre de verre avec une proportion volumique de fibres de 45% a été étudié. Comme le montre la figure 1, il s'agit d'une structure en couches [0/90/0/90/0/90/0], les fibres extérieures se trouvant dans la direction de la charge.
Mesure DMA
Les échantillons avaient des dimensions de 55 x 10 x 1,8 mm et sont caractérisés en traction et en flexion. Pour les mesures, des porte-échantillons de traction rigidifiés ont été utilisés, permettant des charges d'essai allant jusqu'à 150 N.
Les essais sont effectués dans une plage de température allant de -100°C à +200°C à une vitesse de chauffage de 2 K/min. Pour obtenir des effets de mesure maximaux, l'échantillon est serré en tension sur une longueur libre de 35 mm. Dans les deux essais, une amplitude de DéformationLa Déformation décrit une déformation d’un matériau qui subit une contrainte ou une force mécanique externe. Les formulations d’élastomères présentent des propriétés de fluage, si une charge constante est appliquée.déformation dynamique de 0,1 % est fixée à une fréquence de 1 Hz. En mode de tension, cependant, l'amplitude est limitée par la limite de force également programmable de 150 N. Dans les deux essais, une force statique est programmée qui se comporte proportionnellement à la force dynamique. Comme la force statique en flexion doit assurer une compression suffisante dans les supports, le facteur de proportionnalité, PF, en flexion est choisi pour être un peu plus élevé (PF tension 1,1, PF flexion 1,2 avec FStat=PF*FDyn).
Le module de stockage du matériau de la matrice polymère indique la transition vitreuse à -2°C, qui peut être reconnue par le point d'inflexion (figure 2). À 160°C (début extrapolé), le module de stockage diminue fortement et le matériau se ramollit.
Il est évident que le module de stockage en flexion (courbe bleue) est plus élevé qu'en traction (courbe rouge) sur pratiquement toute la plage de température. À la température ambiante (20°C), le module de stockage mesuré en flexion est de 27827 MPa et est donc supérieur de plus de 30 % à la valeur en traction (20406 MPa). Ce comportement est dû à la structure asymétrique de l'échantillon (voir figure 1). Étant donné que les fibres extérieures en flexion contribuent beaucoup plus que le matériau au centre, les fibres extérieures dans la direction de la charge ont un effet de raidissement sur l'échantillon.
Cet effet est fréquemment utilisé dans la conception pour obtenir une grande rigidité en flexion avec un faible poids. Dans les essais de matériaux composites, cependant, cet effet signifie qu'un module mesuré en flexion n'est, à proprement parler, valable que pour l'épaisseur exacte de l'échantillon utilisé. En revanche, en mode de traction, les fibres individuelles sont chargées uniformément et un module valable pour l'ensemble de l'échantillon peut être déterminé. En raison de cet effet différent, il est donc recommandé de tester les composites en fonction de leur chargement ultérieur. Le DMA GABO Eplexor® offre toutes les possibilités à cet effet.
Informations générales sur l'état de contrainte de l'échantillon
Étant donné que le comportement différent en traction et en flexion est dû à la structure interne de l'échantillon, les contraintes agissant sur l'échantillon seront examinées en détail dans ce qui suit. La présentation se limite aux contraintes dans la direction longitudinale, pertinentes dans ce contexte. Pour l'adhésion des fibres avec la matrice polymère en particulier, d'autres contraintes seraient également intéressantes.
En mécanique de l'ingénieur, la charge d'un échantillon est calculée sur la base des forces internes. En traction, une force normale constante s'exerce sur l'ensemble de l'échantillon. La figure 3 présente les forces internes pour trois appuis en flexion utilisés dans la DMA. Il est évident que la charge maximale de la flexion 3 points utilisée ici se produit directement sous l'introduction de la force centrale ; partout ailleurs, une charge plus faible prévaut. C'est pourquoi la flexion symétrique à 4 points est également utilisée pour les études des composites dépendant de la charge [1].
Les contraintes internes dans la direction longitudinale sont directement proportionnelles au moment de flexion et dépendent également de la géométrie et de la structure de l'échantillon. Ainsi, la ContrainteLa Contrainte est définie par un niveau de force appliquée sur un échantillon d’une section bien définie. (Contrainte = force/surface). Les échantillons qui possèdent une section rectangulaire ou circulaire peuvent être comprimés ou étirés. Les matériaux élastiques comme les élastomères peuvent être étirés jusqu’à 5 à 10 fois leur longueur initiale.contrainte dans l'éprouvette - qui varie sur la section transversale - peut être calculée en tout point de l'éprouvette.
La figure 4 montre les contraintes qui agiraient avec les modules mesurés dans l'exemple ci-dessus, à la DéformationLa Déformation décrit une déformation d’un matériau qui subit une contrainte ou une force mécanique externe. Les formulations d’élastomères présentent des propriétés de fluage, si une charge constante est appliquée.déformation nominale de 0,1 % dans un matériau homogène au comportement élastique linéaire. En traction, une ContrainteLa Contrainte est définie par un niveau de force appliquée sur un échantillon d’une section bien définie. (Contrainte = force/surface). Les échantillons qui possèdent une section rectangulaire ou circulaire peuvent être comprimés ou étirés. Les matériaux élastiques comme les élastomères peuvent être étirés jusqu’à 5 à 10 fois leur longueur initiale.contrainte constante prévaut sur toute la section transversale, tandis qu'en flexion, l'échantillon est chargé en compression sur le côté supérieur et en traction sur le côté inférieur. Par conséquent, les déformations et les contraintes spécifiées en flexion se réfèrent toujours aux valeurs maximales dans la fibre extérieure.
Dans le composite stratifié, cependant, la distribution des contraintes est beaucoup plus complexe que dans le cas de l'échantillon homogène. Pour la suite des considérations, on suppose, conformément à la théorie classique des poutres et des stratifiés, que les sections transversales ne se déforment pas, c'est-à-dire que la déformation longitudinale est uniformément répartie sur la section transversale [2].
Dans la mesure ci-dessus, un module de stockage différent a été mesuré en traction et en flexion. En utilisant les formules de la mécanique d'ingénierie (pour plus de détails, voir [2]), on sait comment le module mesuré en tension ou en flexion est composé de ces deux éléments pour une structure de couche connue constituée de deux matériaux ou directions de fibres. Ainsi, les deux mesures donnent lieu à deux équations à partir desquelles les deux modules du matériau peuvent être déterminés. Étant donné que ce calcul est basé sur l'hypothèse du modèle expliquée ci-dessus et que, en outre, la géométrie et les valeurs mesurées sont sujettes à des incertitudes, cette procédure peut en principe donner lieu à des écarts par rapport aux valeurs réelles. À une température de 20°C, un module de stockage pour les fibres dans la direction de chargement de EІІ =38000 MPa et transversalement à la direction de chargement de EІ =3700 MPa peut être calculé de cette manière.
Ces modules peuvent ensuite être utilisés pour calculer les contraintes dans la section transversale de l'échantillon à une déformation donnée. Les sauts dans l'évolution de la contrainte résultent des différents modules des différentes couches et sont typiques des composites à fibres. En outre, l'évolution de la contrainte montre clairement que les fibres extérieures ont un effet particulièrement important sur la rigidité en flexion de l'échantillon.
Conclusion
Lors des essais de flexion des composites, l'influence des couches superficielles extérieures domine. Par conséquent, les résultats des mesures de flexion ne peuvent être généralisés qu'avec difficulté à d'autres géométries ou cas de charge. En revanche, en mode traction, l'échantillon est chargé uniformément et seul un module moyen sur la section transversale est mesuré. Par conséquent, les matériaux doivent toujours être testés en fonction de l'application future.
Grâce au DMA GABO Eplexor®, les composites relativement rigides peuvent être mesurés en flexion et en traction. Comme c'est également le cas pour les essais de traction statiques, les valeurs des matériaux peuvent donc être déterminées en traction, selon les préférences. Cela permet une caractérisation beaucoup plus précise et complète du matériau que ce ne serait le cas avec des instruments plus petits, dans lesquels les échantillons rigides ne peuvent être mesurés qu'en flexion.