Réponse courte
Le délaminage est la séparation de plis adjacents dans un composite stratifié. La fissure progresse dans la couche de résine interlaminaire, où il n’y a pas de fibres. Les impacts, les bords libres, les trous, la flexion et les défauts de fabrication en sont les principales causes. Souvent invisible depuis la surface, il réduit la résistance en compression, ce qui en fait l’un des modes de rupture dimensionnants en conception composite.
Propagation d’une fissure interlaminaire dans un stratifié 2D et dans un tissage 3D
Stratifié 2D
La fissure progresse entre les plis
Tissage 3D
Les fils Z pontent la fissure
Modes de rupture
Mode I : ouverture
Mode II : cisaillement plan
Mode III : cisaillement antiplan (déchirement)
Pourquoi le délaminage se produit
Un stratifié est obtenu en empilant des plis renforcés de fibres et en les assemblant avec de la résine. Les fibres ne se trouvent que dans le plan de chaque pli ; les contraintes de traction dans l’épaisseur et les contraintes de cisaillement interlaminaire sont reprises par la seule résine. La résine ayant une résistance et une ténacité à la rupture bien inférieures à celles de la fibre, la fine zone de résine entre deux plis devient le maillon le plus faible de la structure.
Des contraintes interlaminaires peuvent apparaître même dans un stratifié qui ne supporte que des charges dans le plan. Pipes et Pagano (1970) ont montré qu’aux bords libres des stratifiés composés de plis d’orientations différentes, l’écart de propriétés élastiques entre les plis engendre des contraintes interlaminaires locales. Pour la même raison, les bords de trous, les arrêts de plis, les zones courbes et les jonctions sont des points d’amorçage fréquents du délaminage.
Principales causes
- Impact à faible vitesse : outil qui tombe, choc, projection de gravillon ou chute de drone. Un impact peut ne laisser qu’une petite marque sur la face impactée tout en créant une large zone endommagée entre les plis et sur la face opposée (Abrate, 1998).
- Usinage : lors du perçage, le foret arrache les plis supérieurs à l’entrée et repousse les plis inférieurs à la sortie, ce qui provoque un délaminage. Les précautions de découpe et de perçage sont traitées dans le guide de découpe CNC de plaque carbone.
- Défauts de fabrication : vides (porosité), zones sèches non imprégnées, corps étrangers piégés entre les plis ou polymérisation incomplète.
- Fatigue : sous chargement répété, de petits défauts peuvent se développer en délaminages.
- Humidité et température : l’absorption d’humidité par la résine et des températures de service proches de la température de transition vitreuse (Tg) réduisent la résistance interlaminaire.
Modes de rupture
La mécanique de la rupture décrit la propagation d’une fissure interlaminaire à l’aide de trois modes fondamentaux :
- Mode I (ouverture) : les lèvres de la fissure s’écartent perpendiculairement au plan de la fissure.
- Mode II (cisaillement plan) : les lèvres de la fissure glissent l’une par rapport à l’autre dans la direction de propagation.
- Mode III (cisaillement antiplan, ou déchirement) : les lèvres de la fissure glissent en sens opposés, parallèlement au front de fissure.
Dans les structures réelles, le délaminage se propage généralement sous une combinaison de ces modes, c’est-à-dire en mode mixte. La résistance d’un matériau au délaminage s’exprime par le taux de restitution d’énergie critique mesuré pour chaque mode (GIc, GIIc). Plus la valeur est élevée, plus il faut d’énergie pour faire progresser la fissure d’une unité de surface. Dans les stratifiés, la ténacité en mode I est généralement la plus faible ; c’est pourquoi les charges d’ouverture et la traction dans l’épaisseur sont particulièrement critiques.
Endommagement par impact et compression après impact
L’impact à faible vitesse est la source de délaminage la plus fréquente dans les structures composites. Même lorsque l’énergie d’impact est trop faible pour rompre des fibres, elle peut créer des délaminages superposés entre les plis et des fissures matricielles. En aéronautique, un endommagement qui ne laisse presque aucune trace en surface est appelé endommagement par impact à peine visible (BVID).
Le délaminage est particulièrement dangereux en compression. Les plis séparés se comportent comme des plaques minces indépendantes, flambent localement et l’endommagement s’étend. L’effet d’un endommagement par impact est donc mesuré par la résistance en compression après impact (CAI) : une plaque subit d’abord un impact contrôlé (ASTM D7136), puis la plaque endommagée est chargée en compression jusqu’à rupture (ASTM D7137). Dans les structures aéronautiques, les valeurs de calcul sont généralement fixées en partant de l’hypothèse qu’une structure présentant un endommagement par impact à peine visible doit encore supporter les charges de calcul.
Comment mesurer le délaminage
La résistance au délaminage et la tolérance à l’endommagement par impact se mesurent au moyen de méthodes d’essai normalisées. Les principales sont les suivantes :
| Norme | Propriété mesurée | Éprouvette et chargement |
|---|---|---|
| ASTM D5528 | Ténacité à la rupture interlaminaire en mode I (GIc) | Poutre double en porte-à-faux (DCB), charge d’ouverture |
| ASTM D7905 | Ténacité à la rupture interlaminaire en mode II (GIIc) | Flexion sur éprouvette entaillée (ENF), flexion trois points |
| ASTM D6671 | Ténacité à la rupture en mode mixte I/II | Flexion en mode mixte (MMB) |
| ASTM D2344 | Résistance en poutre courte (indicateur comparatif du cisaillement interlaminaire) | Poutre courte, flexion trois points |
| ASTM D7136 | Résistance à l’endommagement par impact de masse tombante | Plaque, énergie d’impact contrôlée |
| ASTM D7137 | Compression après impact (CAI) | Plaque endommagée selon D7136, compression |
Dans les essais de ténacité à la rupture, une préfissure est créée dans le plan médian de l’éprouvette, généralement en y plaçant un film mince anti-adhérent lors du drapage. Dans les composites tissés en 3D, les fils de liage empêchent la fissure de progresser selon un plan, si bien que les résultats de ces essais doivent être interprétés avec prudence lorsqu’ils sont comparés directement à ceux des stratifiés.
Méthodes de détection
Le délaminage étant souvent invisible depuis la surface, les structures composites nécessitent un contrôle non destructif. Méthodes courantes :
- Examen visuel et essai au tapotement : rapides et sans équipement particulier, ils ne révèlent toutefois que les séparations importantes proches de la surface.
- Contrôle par ultrasons : les ondes sonores se réfléchissent sur les surfaces séparées et permettent de cartographier la position et l’étendue du délaminage (C-scan). C’est la méthode la plus utilisée pour les composites.
- Thermographie : les différences de diffusion de la chaleur appliquée en surface révèlent les séparations sous-jacentes ; elle permet d’inspecter rapidement de grandes surfaces.
- Tomographie : fournit une image tridimensionnelle de l’endommagement ; elle est généralement utilisée pour des éprouvettes à l’échelle du laboratoire.
Comment prévenir le délaminage
Il existe deux façons fondamentales de réduire le délaminage : rendre la résine entre les plis plus tenace, ou lier les plis entre eux par des fibres dans l’épaisseur.
Les résines tenacifiées (époxys modifiées par des thermoplastiques ou des élastomères) et les couches intercalaires tenaces placées entre les plis ralentissent la fissure en dissipant davantage d’énergie à sa pointe. La fissure progresse cependant toujours dans la résine ; le gain reste donc limité par la ténacité de la résine elle-même.
Le renfort dans l’épaisseur agit différemment. Dans la couture, le z-pinning, le tufting et le tissage 3D, des fils ou des tiges traversant les plis relient les lèvres de la fissure. Pour que la fissure s’ouvre, ces éléments doivent être arrachés ou rompus, ce qui crée une zone de pontage derrière la pointe de fissure et absorbe une énergie supplémentaire. La littérature indique que le renfort dans l’épaisseur augmente nettement la ténacité au délaminage en mode I, réduit la surface endommagée par impact et élève la résistance en compression après impact (Mouritz, 2007 ; Tong et al., 2002). En contrepartie, certaines méthodes réduisent les propriétés dans le plan.
| Méthode | Principe | Effet sur les propriétés dans le plan | Remarque pratique |
|---|---|---|---|
| Résine tenacifiée ou couche intercalaire | Dissipe l’énergie par déformation plastique à la pointe de fissure | Généralement faible | Gain limité par la ténacité de la résine |
| Couture | Les plis secs sont cousus entre eux dans l’épaisseur | Peut diminuer en raison des trous d’aiguille et de la déviation des fibres | Appliquée aux préformes en tissu sec |
| Z-pinning | De fines tiges composites ou métalliques sont insérées à travers le préimprégné | Déviation des fibres et poches de résine autour des tiges | Généralement appliqué localement, aux jonctions |
| Tissage 3D | Les fils de liage verrouillent les couches pendant le tissage | Dépend de l’architecture ; l’embuvage peut les réduire | Préforme d’une seule pièce ; nécessite un métier spécial |
Mesures de conception et de fabrication
Le risque de délaminage peut aussi être réduit sans changer de matériau :
- Séquence d’empilement : de grands écarts d’angle entre plis adjacents augmentent les contraintes interlaminaires aux bords libres. La séquence d’empilement est choisie en tenant compte des contraintes de bord.
- Arrêts de plis : là où l’épaisseur varie, les plis sont arrêtés progressivement plutôt que sur une seule ligne.
- Distance aux trous et aux bords : les trous sont placés suffisamment loin des bords libres et les uns des autres, et des rondelles sont utilisées aux jonctions pour répartir la charge.
- Charges dans l’épaisseur : on évite les détails qui sollicitent la pièce perpendiculairement à sa surface, comme les fixations chargées normalement à la face et les courbures à faible rayon.
- Qualité de fabrication : les corps étrangers sont tenus à l’écart des plis lors du drapage, le cycle de polymérisation suit les recommandations du fabricant de résine et les pièces critiques sont contrôlées par ultrasons.
Le délaminage dans le tissage 3D
Dans le tissage 3D, les couches sont verrouillées entre elles pendant le tissage par des fils de liage qui traversent l’épaisseur. En l’absence d’interface continue où seule la résine maintient les plis ensemble, une séparation qui progresse à faible énergie le long des plis, comme dans un stratifié, ne se forme pas. Même si une fissure s’amorce, elle est pontée dès qu’elle atteint le premier fil de liage, et elle ne peut progresser davantage que si ce fil est arraché ou rompu.
Cela ne signifie pas qu’une pièce tissée en 3D ne peut pas être endommagée. Sous une charge excessive, des fissures matricielles, des décohésions fibre-matrice et des ruptures de fibres se produisent toujours. La différence réside dans la manière dont l’endommagement se propage : dans un stratifié, il peut s’étendre sur une grande surface entre les plis, tandis que dans un tissage 3D, il reste confiné à une zone plus petite et la structure perd sa capacité portante de façon plus progressive.
En pratique
La plaque en carbone OWC est fabriquée à partir d’une préforme tissée en 3D ; des fils traversant l’épaisseur lient ses couches entre elles. Pour évaluer le comportement du matériau au perçage, à la découpe et à la fixation dans votre propre application, vous pouvez utiliser le kit d’échantillons : il contient de petites pièces rectangulaires découpées dans une plaque entière.
Questions fréquentes
Le délaminage est-il visible à l’œil nu ?
Le délaminage peut-il être réparé ?
Quels essais mesurent la résistance au délaminage ?
Les composites tissés en 3D délaminent-ils ?
Références
- ASTM D5528/D5528M. Standard Test Method for Mode I Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites. ASTM International.
- ASTM D7905/D7905M. Standard Test Method for Determination of the Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composites. ASTM International.
- ASTM D6671/D6671M. Standard Test Method for Mixed Mode I-Mode II Interlaminar Fracture Toughness of Unidirectional Fiber Reinforced Polymer Matrix Composites. ASTM International.
- ASTM D2344/D2344M. Standard Test Method for Short-Beam Strength of Polymer Matrix Composite Materials and Their Laminates. ASTM International.
- ASTM D7136/D7136M. Standard Test Method for Measuring the Damage Resistance of a Fiber-Reinforced Polymer Matrix Composite to a Drop-Weight Impact Event. ASTM International.
- ASTM D7137/D7137M. Standard Test Method for Compressive Residual Strength Properties of Damaged Polymer Matrix Composite Plates. ASTM International.
- Pipes, R. B., Pagano, N. J. (1970). Interlaminar stresses in composite laminates under uniform axial extension. Journal of Composite Materials, 4(4), 538–548.
- Abrate, S. (1998). Impact on Composite Structures. Cambridge University Press.
- Mouritz, A. P. (2007). Review of z-pinned composite laminates. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 38(12), 2383–2397.
- Tong, L., Mouritz, A. P., Bannister, M. K. (2002). 3D Fibre Reinforced Polymer Composites. Elsevier.
