piézoélectrique ultrasonore intégré d’un matériau composite

TURKI, 'Identification des dommages causés par l'émission acoustique d'un composite instrumenté par un implant piézoélectrique', Congrès Tunisien de Mécanique (COTUME 2012), Sousse-Tunisie, 19-21 mars 2012 (présentation orale). Com-7) S. Dans le chapitre 5, l'effet de l'implant piézoélectrique sur le comportement mécanique des composites sandwich est étudié.

Introduction

Matériaux composites

Définition
Le stratifié

La matrice
Les fibres

Le sandwich
Mécanismes d'endommagement des matériaux composites

Principaux mécanismes d’endommagement dans les matériaux stratifiés
Principaux mécanismes d’endommagement dans les matériaux sandwichs

Lorsqu'ils sont soumis à des contraintes extérieures, les matériaux composites (fibres/matrice) subissent différents types de dégradations dues à des endommagements locaux au niveau de la matrice, des fibres et de l'interface fibre/matrice. La décohésion peau/âme, où la couche interne de la peau (stratifié) se détache de l'âme, est un mode d'endommagement très important dans les matériaux composites sandwich.

Figure 2.2. Composition d’un stratifié [60°,90°,+45°,0°] s

Contrôle Non Destructif (CND) classique

Emission Acoustique

Définition
Description et acquisition des signaux de l'émission acoustique
Transducteurs utilisés pour l’EA
Paramètres caractéristiques des signaux d'émission acoustique
Identification de la signature acoustique dans les matériaux composites

L'un des principaux problèmes de l'EA est de pouvoir distinguer les différents mécanismes de dommages à partir des signaux EA détectés [14,19]. Ils ont réalisé une étude paramétrique en considérant l'amplitude, l'énergie absolue et la durée des signaux AE.

Figure 2.8. Dispositif expérimental de l’émission acoustique

Contrôle Non Destructif des matériaux intelligents (CND intégré)

Définition d’une structure Intelligente (Smart structure)
Différent type de capteurs intégrés

Les fibres optiques
Les piézoélectriques

État de l’art du contrôle de santé par capteurs intégrés
Présentation de la technique de l'implant piézoélectrique
Etat de l’art des couches intelligentes (SMART Layer)
Problèmes d’intégration

Ils ont également montré que les capteurs intégrés fonctionnent très bien lors de tests statiques jusqu'à 90 % de la durée de vie du matériau. De plus, il n’y a eu aucune détérioration de la tenue en fatigue du matériau testé.

Figure 2.11. Exemples des capteurs intégrés utilisés dans le contrôle de santé structurale: a) Piézoélectriques, b) MFC, c) PVDF, d) Fibre-optique, e) MEMS et f) Jauge de déformation

Cadre et objectifs de l’étude

Conclusions

Evolution de la rigidité en fonction du nombre de cycles lors des essais de fatigue-flexion pour les trois types d'éprouvettes unidirectionnelles NI, IP et IG. Cette figure représente l'évolution de la charge en fonction du déplacement pour les trois matériaux. Evolution de la raideur en fonction du nombre de cycles lors des essais de traction en fatigue pour les trois types d'éprouvettes NI, IP et IG.

El Guerjouma, Enquête sur l'endommagement et la rupture de matériaux granulaires à base de polymères en fluage par émission acoustique.

Contrôle de Santé Intégré par Emission Acoustique des Matériaux Composites

Introduction

Evolution de la raideur en fonction du nombre de cycles lors des essais de fatigue pour les trois types d'éprouvettes croisées NI, IP et IG. Cette phase correspond à la propagation rapide de la formation de fissures, qui devient plus localisée, conduisant à une fissuration de l'échantillon. Le suivi et l'analyse des dommages sont réalisés par la technique d'émission acoustique avec le système d'acquisition (EPA) au même titre que les essais de flexion.

La surveillance des dommages est effectuée à l'aide de la mesure EA avec le système de collecte (EPA). La répartition de l'amplitude en fonction du temps pour la plaque non instrumentée (Fig. 6.5-a) montre que l'initiation de l'endommagement est due à la fissuration de la matrice. La figure 6.12-a montre l'évolution de la charge en fonction du déplacement pour les deux types de constructions avec et sans intégration (IP et NI).

Figure 3.1. Matériau stratifié unidirectionnel intégré par un capteur piézoélectrique Capteur

Mise en œuvre des composites stratifiés destinés aux essais de flexion trois-points

Procédures expérimentales

Schéma de principe d'un essai de flexion 3 points sur une éprouvette laminée intégrée à une. Dans le cas des essais de fluage, des échantillons de tous les matériaux sont soumis à une charge de flexion constante sur une longue période et à température ambiante. Les données de l'AE sont transférées vers un micro-ordinateur, qui permet l'affichage, le stockage et le post-traitement des données en temps réel.

Le seuil d'acquisition doit être déterminé avant de démarrer tout test utilisant une procédure de « coupure de plomb ».

Figure 3.4. Dispositif expérimental de l’essai de flexion trois-points sur une éprouvette intégrée

Classification des signaux de l’EA par la méthode des k moyennes

Résultats des essais statiques

Comportement mécanique
Analyse par émission acoustique des mécanismes d’endommagement
Observation du capteur implanté dans le matériau après rupture

Résultats des essais de fatigue cyclique

Résultats des essais de fluage

Cette figure présente l'évolution de la charge en fonction du déplacement pour trois types de matériaux : matériau sans capteur intégré (NI), matériau instrumenté avec petit capteur (IP) et matériau instrumenté avec grand capteur (IG). Visualisation PCA de la classification obtenue par la méthode k-means pour les matériaux unidirectionnels testés en flexion statique : a) échantillon laminé sans instruments (NI) et b). L'évolution de la rigidité en fonction du nombre de cycles pour les trois types de matériaux se fait de manière similaire.

Visualisation PCA de la classification obtenue par la méthode k-means pour les matériaux unidirectionnels testés en flexion-fatigue : a) échantillon laminé non instrumenté (NI) et b).

Tableau 3.2. Dimensions des pastilles métalliques implantées au sein du matériau

Résultats des essais de flexion appliqués aux composites stratifiés croisés intégrés par

Les tests de fluage ont révélé que les événements acoustiques pour l'échantillon instrumenté sont beaucoup plus nombreux que ceux pour l'échantillon non instrumenté (Fig. 3.23). Chronologie d'apparition des mécanismes d'endommagement lors des essais de fluage pour matériaux unidirectionnels : a) échantillon laminé non instrumenté (NI), b) échantillon laminé. La rupture brutale des trois composites s'est produite après une légère réduction de la rigidité, de l'ordre de 1 %. Répartition de l'amplitude des signaux en fonction du nombre de cycles lors des essais de flexion en fatigue pour les matériaux traversés : a) éprouvette feuilletée non instrumentée (NI) et b) éprouvette.

Répartition de l'amplitude du signal en fonction du temps lors des essais de flexion en fluage pour matériaux réticulés : a) éprouvette laminée non instrumentée (NI) et b) éprouvette laminée.

Figure 3.24. a) Courbes charge-déplacement déduites des essais de flexion statique pour les trois types d’éprouvettes croisées NI, IP et IG et b) Rupture d’éprouvette croisée intégrée par un essai de flexion

Conclusions

Les principaux mécanismes d’endommagement de cette partie de l’échantillon sont la fissuration de la matrice et la décohésion peau/noyau. Le suivi des dommages est effectué à l'aide de la mesure des émissions acoustiques avec le système d'acquisition (EPA). La propagation de ces quatre modes d’endommagement conduit alors à la rupture ultime de la dalle.

La figure 6.8 montre les résultats de la classification sous forme de distribution d'amplitude en fonction du temps.

Contrôle de Santé Intégré par Emission Acoustique des Matériaux Composites

Introduction

En recherche, ce type d'essai est utilisé pour caractériser de nouveaux matériaux et fournir un modèle de base pour l'information sur la résistance des matériaux : il s'agit d'un essai de spécification d'un matériau. L'étude de l'endommagement des matériaux intelligents et son évaluation non destructive par émission acoustique ne peuvent être réalisées sans un examen préalable des matériaux concernés depuis leur élaboration, sous les sollicitations mécaniques appliquées au cours de leur cycle de vie et jusqu'à leur rupture définitive. Une comparaison sera d'abord faite en termes de comportement mécanique pour voir l'impact de l'intégration sur l'intégrité des matériaux étudiés.

Les résultats obtenus dans les différents matériaux instrumentés par des implants piézoélectriques intégrés dans la masse ou fixés à la surface des composites seront analysés en termes de comportement mécanique et de sensibilité de l'émission acoustique aux mécanismes d'endommagement lors des essais.

Mise en œuvre des composites stratifiés destinés aux essais de traction

Dispositif expérimental

La charge et le déplacement à la rupture diminuent à mesure que la taille du grain augmente. Un exemple de la nouvelle répartition d'amplitude en fonction du temps est illustré sur la figure 5.4-a. Ce tableau donne les valeurs de la charge et du déplacement à la rupture ainsi que la rigidité des matériaux.

La figure 6.5 présente les résultats de classification en termes de distribution d'amplitude en fonction du temps.

Tableau 4.1 : Dimensions des pastilles métalliques implantées au sein du matériau composite

Faisabilité de l’étude en traction

Résultats des essais de traction appliqués aux matériaux unidirectionnels intégrés par

Observation des faciès de rupture

Répartition de l'amplitude du signal en fonction du nombre de cycles lors d'essais de traction en fatigue pour des matériaux unidirectionnels : a) échantillon laminé non instrumenté (NI) et b). Répartition de l'amplitude du signal en fonction du temps lors d'essais de traction-fluage pour matériaux unidirectionnels : a) échantillon stratifié non instrumenté (NI) et b) échantillon. Répartition de l'amplitude des signaux AE en fonction du temps lors des essais de traction statique pour les matériaux traversés : a) échantillon laminé non instrumenté (NI) et b) échantillon.

Répartition de l'amplitude des signaux AE en fonction du temps lors des essais de traction en fluage pour les matériaux traversés : a) échantillon feuilleté non instrumenté (NI) et b) échantillon.

Figure 4.6. a) Courbes charge-déplacement déduites des essais de traction en statique sur les trois types de matériaux unidirectionnels (NI), (IP) et (IG) et b) Eprouvette intégrée après la rupture

Conclusions

Contrôle de Santé Intégré par Emission Acoustique des Matériaux Composites

Introduction
Mise en œuvre des matériaux composites sandwichs
Dispositif expérimental
Résultats

Conclusions

Par conséquent, l’objectif de ce travail est d’étudier les dommages structurels dans les matériaux sandwich dus aux signaux EA. La fissuration du noyau provoque une décohésion de l'interface peau/noyau, en particulier dans la région comprimée proche de la fissure (près du point d'application de la charge). Comme pour les supports en matériau sandwich, quatre types de dommages peuvent être distingués pour la planche : éclatement de l'âme en mousse (classe A), fissures dans la matrice des enveloppes (classe B). ), décohésion interfaciale peau/noyau (classe D) et fracture des fibres (classe C).

L'apport de la technique d'inspection des émissions acoustiques (EA) dans la détermination des différents modes d'endommagement identifiés lors des essais est discuté.

Figure 5.1. Mise en œuvre du matériau sandwich

Contrôle de Santé Intégré par Emission Acoustique des Structures en Matériaux

Introduction

Le développement récent des techniques de contrôle sanitaire intégré ouvre de nouvelles perspectives pour garantir l’intégrité des structures en matériaux composites. Les signaux issus de plusieurs capteurs permettent de détecter et de localiser les sources de dommages telles que délaminage des plaques et structures en matériaux composites. L'objectif de cette étude est consacré à l'application de la méthode d'implantation piézoélectrique dans des structures 2D et 3D de formes simples en matériaux composites stratifiés et sandwich.

Une analyse du comportement mécanique, de l'activité acoustique et de la localisation des sources de dommages dans les panneaux et dans les structures en composites stratifiés et sandwichs avec et sans implants piézoélectriques sera réalisée.

Application de l’implant piézoélectrique à une structure 2D (plaque) en matériaux

Mise en œuvre des plaques
Résultats des essais sur les plaques en matériau stratifié

Localisation des sources d’endommagement

Résultats des essais sur les plaques en matériau sandwich

La figure 6.1 donne les dimensions de la plaque étudiée ainsi que la position des capteurs dans les plaques. Enfin, la charge augmente progressivement lorsque le déplacement augmente jusqu'à ce que la rupture finale de la plaque soit provoquée par la rupture par cisaillement de l'âme et de la peau inférieure. Ce tableau donne les valeurs de la charge, du déplacement à la rupture ainsi que de la rigidité des matériaux.

Dans le cas du matériel intégré, l'apparition précoce de certains événements acoustiques explique clairement l'intérêt d'intégrer l'instrumentation au sein de la structure sandwich.

Figure 6.1. Dimensions des plaques étudiées et positions des capteurs d’EA

Application de l’implant piézoélectrique aux structures 3D en matériau composite

Mise en œuvre des structures 3D
Résultats des essais sur les structures 3D

Localisation des sources d’endommagement

Localisation des événements acoustiques lors d'essais de flexion statique pour deux plaques sandwich : a) plaque non intégrée (NI) et b) plaque intégrée (IP). 126 Après un temps suffisamment long, des signaux de décohésion et de délaminage sont apparus simultanément dans les deux structures. La figure 6.14 présente la localisation planaire (longueur et largeur) des sources d'émission acoustique par rapport aux positions des capteurs dans les deux structures étudiées (NI et IP).

Localisation des événements acoustiques lors d'essais de compression dans deux structures stratifiées : a) structure non intégrée (NI) et b) structure intégrée (IP).

Figure 6.11. Essai de compression sur une structure en composite stratifié intégrée

Conclusions

Van Bohemen, An acoustic emission study of martensitic and bainitic transformation in carbon steel, Thèse de doctorat, Netherlands: Delft University of Technology, 2004. Benzeggagh, On the use of acoustic emission to investigate damage mechanisms in glass fiber reinforced polypropylene. Hale, Use of acoustic emissions to characterize the accumulation of corrosion fatigue damage in glass fiber reinforced polyester laminates.

Pappas, On the identification of failure mechanisms in oxide/oxide composites using acoustic emission.

Conclusion générale