Les industriels de l'aéronautique envisagent l'emploi des matériaux composites à matrice organique (CMO) pour la réalisation des structures tièdes (température entre 50 et 300°C). Dans ces parties, l'exposition à l'action d'environnements agressifs (milieux humides ou gazeux, hautes températures,...) peut entrainer la diffusion d'espèces chimiques (H2O, O2, ...) au sein des matrices polymères. Dans ces conditions, des phénomènes de vieillissement et de dégradation sévères, associés à l'action de couplages thermomécaniques et/ou chimio-diffuso-mécaniques peuvent apparaitre affectant la performance et la durée de vie de ces matériaux [1]. Le vieillissement humide des CMO (température entre 50 et 100°C) préoccupe particulièrement les industriels du secteur aéronautique : la diffusion de l'eau dans la matrice polymère du composite peut entrainer des phénomènes de gonflement hygroscopique suivie des modifications des propriétés mécaniques (rigidité,...). Dans l'idée de comprendre ces phénomènes et afin de concevoir des pièces de structure optimisées, des modèles numériques et des expériences sont développés pour identifier les propriétés mécaniques sous environnements humides. Pour l'identification, les normes aéronautiques préconisent l'emploi d'échantillons saturés en humidité. Ainsi, les travaux de Simar [2] ont permis d'identifier le module d'Young et le coefficient de Poisson à l'aide d'essais de traction sur échantillons à différents taux d'humidité. Ces essais nécessitent des temps de conditionnement et d'identification très longs et un nombre important d'échantillons. Dans nos précédents travaux, [3], des essais de tractionflexion sur pièces à gradient d'humidité ont permis d'identifier les propriétés mécaniques affectées par la teneur en eau avec une réduction considérable des temps d'identification et du nombre d'échantillons. Cependant, l'utilisation de ces essais ne permet pas d'identifier le coefficient de dilatation hygroscopique. La mesure directe de ce dernier a été effectuée dans des travaux récents [2], [4].
L'objectif de cette étude est d'étudier la possibilité d'identifier à la fois les propriétés mécaniques affectées par l'humidité et le coefficient de dilation hygroscopique à l'aide des plaques assujetties à des champs de concentration asymétriques. Ces champs induisent de déflexions permettant d'effectuer les identifications à des temps inférieurs au temps de saturation.
Cette étude est menée en considérant un échantillon de configuration plaque mince avec un modèle de diffusion de Fick 1D et un modèle mécanique 2D en contrainte planes avec un comportement isotrope du polymère. Compte tenu de l'amplitude des déflexions, l'utilisation d'un modèle prenant en compte les non linéarités géométriques est discutée. L'identification s'effectue à travers la résolution d'un problème inverse obtenu par minimisation de l'énergie totale de la plaque et la méthode de Rayleigh-Ritz. Les résultats de l'identification sont illustrés pour des dépendances polynomiales du module d'Young et du coefficient de Poisson pour un coefficient de dilation hygroscopique indépendant de la teneur en eau.

Références :

[1] Y. J. Weitsman, Fluids Effects in Polymers and Polymeric Composites, Springer, New York, 2012.
[2] A. Simar, Impact du vieillissement humide sur le comportement d'un composite à matrice organique tissé fabriqué par injection RTM : mise en évidence d'un couplage entre absorption d'eau et thermo-oxydation de la matrice. PhD thesis, Ecole Nationale Supérieure de Mécanique et d'Aéronautique (ENSMA), 2014.
[3] A. Djato, M. Beringhier, M. Gigliotti, Identification of moisture affected mechanical properties of polymer matrix materials by the employment of samples with moisture gradients, Mechanics of Advanced Materials and Structures, DOI:10.1080/15376494.2018.1536933
[4] H. Obeid, A. Clement, S. Freour, F. Jacquemin, P. Casari, On the identification of the coefficient of moisture expansion of polyamide-6: Accounting differential swelling strains and plasticization, Mechanics of Materials, 118:1–10, 2018