Brevet FR3115604A1 — publié le 20220429

Eprouvette de caractérisation en matériau composite L’invention concerne une éprouvette de caractérisation (20) en un matériau composite comprenant une préforme fibreuse présentant un tissage entre une première pluralité de fils et une deuxième pluralité de fils densifiée par une matrice, l’éprouvette comprenant une zone de chargement (23) localisée entre deux zones de serrage 24 dans la direction de la sollicitation et caractérisée en ce que les fils de la première pluralité de fils de la préforme fibreuse s’étendant dans la direction de sollicitation ont un embuvage plus important dans la zone de chargement que dans les zones de serrage. Figure pour l’abrégé : Fig. 4 Eprouvette de caractérisation en matériau composite L’invention concerne le domaine des matériaux composites, et plus précisément la préparation d’éprouvettes de caractérisation pour de tels matériaux composites. La préparation d’éprouvettes de caractérisation permet de valider le comportement d’un matériau avant son utilisation pour une application technologique. Toutefois, une telle éprouvette doit être parfaitement représentative du matériau qu’elle caractérise, en particulier dans sa zone de chargement. La représentativité d’une éprouvette de caractérisation est difficile à obtenir pour un matériau composite, notamment du fait de l’hétérogénéité à l’échelle microscopique de ces matériaux due à leur préforme fibreuse, renforcée par une matrice. Ces hétérogénéités, qui ont des implications sur les propriétés mécaniques du matériau, rendent difficilement reproductible leur comportement mécanique à l’échelle d’une éprouvette. En particulier, il est souvent observé que les mesures réalisées sur des éprouvettes de caractérisation peuvent être très dispersées, ou encore que les résultats obtenus dépendent des dimensions de l’éprouvette. De plus, il est également observé que, lorsqu’elles sont soumises à une sollicitation mécanique, de telles éprouvettes peuvent se rompre à un autre endroit que dans la zone de chargement, en l’espèce la zone centrale de l’éprouvette. Dans ce cas, elles sont inutiles pour caractériser les matériaux composites car c’est la zone centrale de l’éprouvette qui est représentative du matériau. Or, pour des raisons de coûts, il est préférable de réaliser des essais sur des éprouvettes de caractérisation plutôt que sur des pièces complexes. Il est donc souhaitable de disposer d’éprouvettes qui reproduisent fidèlement le comportement de matériaux composite de plus grande tailles et de faire le nécessaire pour diminuer les concentrations de contraintes qui peuvent exister et ainsi venir polluer les caractéristiques mécaniques sensées être intrinsèque au matériau et non pas à la forme de l’éprouvette. Pour répondre à ce problème, les inventeurs proposent une éprouvette de caractérisation en un matériau composite comprenant une préforme fibreuse présentant un tissage entre une première pluralité de fils et une deuxième pluralité de fils densifiée par une matrice, l’éprouvette comprenant une zone de chargement localisée entre deux zones de serrage dans la direction de la sollicitation et caractérisée en ce que les fils de la première pluralité de fils de la préforme fibreuse s’étendant dans la direction de sollicitation ont un embuvage plus important dans la zone de chargement que dans les zones de serrage. Une telle éprouvette permet d’assurer une rupture de l’éprouvette de caractérisation dans la zone de sollicitation, ce qui permet de reproduire et caractériser le comportement du matériau composite à l’échelle de l’éprouvette. Dans un mode de réalisation d’une éprouvette de caractérisation selon l’invention, l’espacement entre les fils de la deuxième pluralité de fils de la préforme fibreuse qui s’étendent dans une direction perpendiculaire à la direction de sollicitation est plus grand dans les zones de serrage que dans la zone de chargement. Dans ce mode de réalisation, l’espacement augmenté dans les zones de serrage entre les rangées de fils de la deuxième pluralité de fils de la préforme fibreuse permet d’augmenter l’embuvage dans la zone de chargement par rapport à l’embuvage des zones de serrage, et ainsi, permet d’assurer que la rupture d’une éprouvette de caractérisation lorsque celle-ci est soumise à une sollicitation dans la direction de sollicitation, ait lieu dans la zone de chargement. Dans un mode de réalisation différent, ou en plus du mode de réalisation ci-dessus, la tension des fils de la première pluralité de fils de la préforme fibreuse dans la zone de chargement est supérieure ou égale à la tension des fils de la préforme fibreuse dans la direction de sollicitation dans les zones de serrage. Augmenter la tension des fils de la première pluralité de fils de la préforme d’une éprouvette de caractérisation dans la zone de chargement par rapport à leur tension dans les zones de serrage permet d’augmenter l’embuvage dans la zone de chargement, permettant ainsi de répondre au problème technique. Dans un mode de réalisation différent ou en plus de l’un au moins des modes de réalisation décrits ci-dessus, le diamètre des fils de la deuxième pluralité de fils de la préforme fibreuse est plus grand dans la zone de chargement que dans les zones de serrage. Cette augmentation du diamètre des fils de la deuxième pluralité de fils de la préforme fibreuse permet d’augmenter l’embuvage dans la zone de chargement et ainsi, permet que la rupture d’une éprouvette de caractérisation lorsque celle-ci est soumise à une sollicitation ait lieu dans la zone de chargement. Cette solution permet de plus un tissage simplifié de l’éprouvette de caractérisation, car le tissage de l’éprouvette n’est modifié que pour augmenter l’espacement entre les fils de la deuxième pluralité de fils lors du tissage de la zone de chargement. Les modes de réalisation présentés ci-dessus permettent chacun d’augmenter l’embuvage dans la zone de chargement, en modifiant un paramètre de tissage particulier. Les modes décrits ne présentent pas d’incompatibilité entre eux, et dans certains modes de réalisation de l’invention, il est possible de combiner les effets de deux ou trois des modes de réalisation décrits ci-dessus afin de réaliser une éprouvette de caractérisation selon l’invention. La modification de plusieurs des paramètres du tissage plutôt qu’un seul permet d’obtenir la différence d’embuvage souhaitée en faisant varier chacun des paramètres de manière moins importante que lorsqu’un seul paramètre est modifié. Il est toutefois observé que, même lorsque les trois paramètres sont modifiés au cours du tissage d’une éprouvette, la modification ne demande un ajustement des conditions de tissage qu’aux changements entre une zone de serrage et une zone de caractérisation, ce qui permet de conserver un tissage relativement aisé de la préforme de l’éprouvette. Selon une caractéristique particulière de l’invention, la largeur de la préforme fibreuse de l’éprouvette de caractérisation est la même dans les zones de serrage et dans la zone de chargement. En d’autres termes, dans un mode de réalisation, la première et la deuxième pluralité de fils de la préforme forment une préforme rectangulaire. Les inventeurs ont constaté que cette géométrie d’éprouvette rectangulaire permet d’éviter des zones de concentrations de contraintes pouvant se produire lorsque la géométrie de l’éprouvette de caractérisation est plus complexe. En particulier, les inventeurs ont observés que la forme dite « en os de chien » des éprouvettes de caractérisation de l’art antérieur présentait de telles zones de concentration des contraintes, et qu’il arrivait que de telles éprouvettes rompent entre les zones de serrage et la zone de chargement. En évitant les zones de concentration de contraintes, on réduit la création de points fragiles dans l’éprouvette et l’on favorise encore davantage la rupture de l’éprouvette dans la zone de chargement de l’éprouvette, et l’on permet ainsi l’obtention d’une éprouvette dont le comportement en sollicitation est représentatif de celui d’une pièce composite. Selon une autre caractéristique particulière de l’invention, aucun fil de la première pluralité de fils n’est extrait de la préforme fibreuse de l’éprouvette de caractérisation entre les zones de serrage et la zone de chargement. Cela permet d’améliorer la continuité des efforts transmis depuis les zones de serrage lors d’une sollicitation de l’éprouvette et ainsi éviter l’apparition de zone de contraintes lors de la sollicitation de l’éprouvette. Dans un mode de réalisation, la préforme fibreuse ne comprend pas d’autre fils ajoutés lors d’une étape ultérieure à son tissage. Dans un mode de réalisation, aucun fil n’est ajouté à l’éprouvette après le tissage de la préforme fibreuse qu’elle comprend. Dans un mode de réalisation, chacun des fils de la première pluralité de fils est présent dans les deux zones de serrage et dans la zone de chargement. En d’autres termes, aucun fil de la préforme fibreuse n’est enlevé, ajouté ou coupé dans la direction de sollicitation de l’éprouvette. La continuité des fils de la première pluralité de fils de la préforme fibreuse permet d’éviter l’apparition de zones de contraintes particulières, qui pourrait causer des variations locales de propriétés mécaniques, et conférer à l’éprouvette un comportement mécanique différent du matériau qu’elle caractérise. Dans un mode de réalisation, la préforme fibreuse peut être tissée en deux ou en trois dimensions. Dans un mode de réalisation d’une éprouvette, de la matière supplémentaire peut être ajoutée sur l’éprouvette, sur les faces externes des zones de serrages, formant ainsi une couche sur et sous les zones de serrage de l’éprouvette. Ce mode de réalisation permet d’éviter qu’un organe de serrage éventuellement utile pour la réalisation d’un test mécanique ne vienne fragiliser l’éprouvette dans les zones de serrage. Toutefois, une telle couche supplémentaire n’est pas nécessaire, car la zone de serrage est plus résistante que la zone de chargement, et tant que l’organe de serrage n’abime pas la zone de serrage, la rupture de l’éprouvette aura bien lieu dans la zone de chargement. Selon un autre de ses aspects, l’invention concerne un procédé de caractérisation d’un matériau composite, comprenant une étape au cours de laquelle une éprouvette de caractérisation telle que décrite ci-dessus est soumise à un chargement dans la direction des fils de la première pluralité de fils de la préforme fibreuse de ladite éprouvette. Dans la demande, il est entendu que la direction des fils de la première pluralité de fils de la préforme fibreuse est la direction de sollicitation de l’éprouvette de caractérisation. Il s’entend la « direction des fils de la première pluralité de fils de la préforme fibreuse » correspond à la direction de ces fils moyennée sur l’ensemble de l’éprouvette, car le tissage impose que les fils de la première pluralité de fils ne soient pas parfaitement rectilignes. Dans un mode de réalisation, la direction des fils de la première pluralité de fils de la préforme fibreuse peut être la plus grande dimension de l’éprouvette de caractérisation. La est une représentation schématique du tissage d’une éprouvette de caractérisation dans un mode de réalisation de l’invention, La est une représentation schématique du tissage d’une éprouvette de caractérisation dans un mode de réalisation de l’invention, la est une représentation schématique d’une éprouvette de caractérisation en forme d’os de chien selon une géométrie de l’art antérieur, la est une représentation schématique d’une éprouvette de caractérisation selon un mode de réalisation de l’invention. Certains modes de réalisation de l’invention vont à présent être décrits plus en détails, en particulier au moyen de figures, mais ne sont que des modes particuliers de l’invention et ils ne doivent pas être considérés comme limitant la portée de l’invention. Les figures ne sont pas représentées à l’échelle, et ne représentent que des exemples permettant de mieux comprendre l’invention. En particulier, la taille des fils ainsi que les valeurs absolue des embuvages que l’on peut lire sur les figures ne sont pas représentatifs de la réalité. Dans une éprouvette de caractérisation de l’invention, c’est la zone de chargement qui est représentative du matériau que l’éprouvette caractérise. Il est pour cela nécessaire que la zone de chargement soit constituée d’une préforme fibreuse et d’une matrice identique à celle du matériau caractérisé, mais également que la préforme fibreuse comporte dans la zone de chargement des caractéristiques identiques à celle du matériau composite que l’on souhaite caractériser, et notamment en terme de densité, de taux volumique de fibres, de quantité de porosité et d’embuvage. Assurer que la rupture de l’éprouvette ait lieu dans la zone de chargement, lors d’une sollicitation mécanique, permet d’assurer que le comportement de l’éprouvette soit représentatif du matériau de la zone de caractérisation, et donc du matériau que l’éprouvette caractérise. Les différences entre les zones de serrages et la zone de caractérisation n’ont pas d’influence sur le comportement mécanique de la zone de caractérisation, mais permettent d’assurer que les propriétés de résistance mécanique soient supérieure dans les zone de serrage, et par voie de conséquence, que la rupture de l’éprouvette ait lieu dans la zone de chargement. Au sens de l’invention, « l’embuvage » s’entend comme l’angle que forment les fils de la première pluralité de fils 1 avec la direction horizontale aux endroits où les fils de la première pluralité de fils 1 croisent les fils de la deuxième pluralité de fils 2. L’embuvage est un paramètre qui est déterminé par les conditions de tissage ainsi que les dimensions, et la nature des fils utilisés pour tisser la préforme fibreuse. Les inventeurs ont constaté que la diminution de l’embuvage dans les zones de serrage par rapport à la zone de chargement permet d’assurer que cette dernière ait une résistance mécanique moins importante que les zones de serrage et donc d’assurer que la rupture de l’éprouvette ait lieu dans la zone de chargement. La représente schématiquement le tissage de la préforme fibreuse d’une éprouvette 20 dans un mode de réalisation de l’invention. L’éprouvette comprend une première pluralité de fils 1 et une seconde pluralité de fils 2 dont le tissage est ici représenté de manière schématique. L’éprouvette 20 comprend deux zones de serrage 24 et une zone de chargement 23. Dans le mode de réalisation représenté, la direction de sollicitation de l’éprouvette correspond à la direction horizontale, alignée avec la direction de la première pluralité de fils 1, tandis que la seconde pluralité de fils 2 correspond aux fils de trame. L’invention n’est pas limitée à ce seul mode de réalisation. L’embuvage dans la zone de serrage 8 et l’embuvage dans la zone de chargement 9 sont figurés de manière schématique sur la . Comme représenté en , augmenter l’espacement entre les fils de la deuxième pluralité de fils 2, dans la zone de serrage par rapport à l’espacement dans la zone de chargement permet d’augmenter l’embuvage dans la zone de chargement 9 par rapport à l’embuvage dans la zone de serrage 8. La représente schématiquement le tissage de la préforme fibreuse d’une éprouvette 20 dans un mode de réalisation de l’invention. Les symboles numériques identiques renvoient aux mêmes que ceux décrits en . Sur le mode de réalisation de la , les fils de la deuxième pluralité de fil sont plus fins lorsqu’il s’agit des fils 4 d’une zone de serrage 24 et plus épais lorsqu’il s’agit des fils 3 de la zone de chargement 23. La différence d’épaisseur entre les fils 3,4 de la deuxième pluralité de fils cause une augmentation de l’embuvage 9 dans la zone de chargement par rapport à l’embuvage 8 dans la zone de serrage. La est une représentation d’une éprouvette 10 obtenue selon un procédé de l’art antérieur, vue du dessus et comprend une géométrie dite « en os de chien ». Une telle géométrie se caractérise par une réduction de la largeur L de l’éprouvette, et cette réduction de la largeur peut causer l’apparition de concentration de contraintes, en particulier dans les zones 11 entre les zones de serrage 14 et la zone de chargement 13 au milieu de l’éprouvette. Ainsi, une géométrie sans une telle réduction de largeur permet de diminuer l’apparition de telles zones de concentration de contraintes 11 entre les zones de serrages 14 de la zone de chargement 13, et ainsi favoriser encore davantage la rupture de l’éprouvette dans la zone de chargement 13. De même, extraire des fils de la préforme, par exemple pour lui donner une forme particulière peut causer des zones de concentrations de contraintes à l’endroit où des fils sont extraits, et ainsi causer des points faibles hors de la zone de chargement de l’éprouvette. Ainsi, il est préféré que l’éprouvette ait une géométrie rectangulaire pouvant être obtenue simplement à partir d’une préforme fibreuse dans laquelle aucun fils n’est extrait entre les zones de serrage et la zone de chargement. La représente une géométrie d’éprouvette 20 selon un mode de réalisation de l’invention. Dans ce mode de réalisation, l’éprouvette à une géométrie rectangulaire, dans laquelle la largeur L de l’éprouvette ne varie pas entre les zones de serrage 24, et la zone de chargement 23. Afin d’assurer que les zones de chargement aient des caractéristiques mécaniques identiques à celles du matériau que l’on souhaite caractériser, il est possible de définir les caractéristiques de tissage de la préforme fibreuse de l’éprouvette de caractérisation à l’aide d’outils de simulation tels que par exemple des calculs de simulation par éléments finis. Bien entendu, les modes de réalisation décrits ci-dessus, peuvent être combinés entre eux dans le but d’augmenter encore davantage la probabilité que l’éprouvette de caractérisation soit bien rompue dans sa zone de chargement. Eprouvette de caractérisation (20) en un matériau composite comprenant une préforme fibreuse présentant un tissage entre une première pluralité de fils (1) et une deuxième pluralité de fils (2) densifiée par une matrice, l’éprouvette comprenant une zone de chargement (23) localisée entre deux zones de serrage (24) dans la direction de la sollicitation et caractérisée en ce que les fils de la première pluralité de fils de la préforme fibreuse s’étendant dans la direction de sollicitation ont un embuvage plus important dans la zone de chargement que dans les zones de serrage. Eprouvette de caractérisation selon la revendication 1, dans laquelle l’espacement entre les fils de la deuxième pluralité de fils de la préforme fibreuse (2) qui s’étendent dans une direction perpendiculaire à la direction de sollicitation est plus grand dans les zones de serrage (24) que dans la zone de chargement (23). Eprouvette de caractérisation selon la revendication 1 ou 2, dans laquelle la tension des fils de la première pluralité de fils (1) de la préforme fibreuse dans la zone de chargement (23) est supérieure ou égale à la tension des fils de la première pluralité de fils (1) de la préforme fibreuse dans les zones de serrage (24). Eprouvette de caractérisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, dans laquelle le diamètre des fils de la deuxième pluralité de fils (2) de la préforme fibreuse est plus grand dans la zone de chargement (23) que dans les zones de serrage (24). Eprouvette de caractérisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans laquelle la largeur de la préforme fibreuse de l’éprouvette de caractérisation est la même dans les zones de serrage (24) et dans la zone de chargement (23). Eprouvette de caractérisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, dans laquelle aucun fil de la première pluralité de fils (1) n’est extrait de la préforme fibreuse de l’éprouvette de caractérisation entre les zones de serrage (24) et la zone de chargement (23). Eprouvette de caractérisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 6, dans laquelle la préforme fibreuse est une préforme tissée en trois dimensions. Procédé de caractérisation d’un matériau composite, comprenant une étape au cours de laquelle une éprouvette de caractérisation selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 est soumise à un chargement dans la direction des fils de la première pluralité de fils (1) de la préforme fibreuse de ladite éprouvette.