Characterization of the fiber-matrix interface behavior in carbon fiber/PEEK composites

Caractérisation du comportement à l'interface fibre-matrice des composites fibre de carbone/PEEK La qualité de l'interface fibre-matrice est cruciale pour la détermination des propriétés finales des composites renforcés par des fibres, car elle influence l'efficacité du transfert de contraintes entre la fibre et la matrice, affectant ainsi significativement le comportement mécanique du composite. Dans cette étude, les interfaces entre 4 nuances de fibres de carbone et une matrice thermoplastique de polyétheréthercétone (PEEK) sont étudiées à partir d'une approche multi-échelle, visant à caractériser le comportement des interfaces sous différents modes de sollicitation. En particulier, l'influence de la rugosité et de la composition chimique de la surface des fibres de carbone sur les propriétés interfaciales d'un composite modèle comportant une seule fibre dans la matrice a été étudiée. Dans un premier temps, une étude macroscopique de la fragmentation des fibres sous charge longitudinale, suivie par émission acoustique, a permis de caractériser les propriétés interfaciales en cisaillement par une analyse statistique. La fragmentation des fibres a été utilisée pour estimer les propriétés mécaniques des fibres de carbone. Une analyse complémentaire in situ par microtomographie synchrotron à rayons X a permis une observation détaillée des mécanismes de fragmentation, révélant un retrait en longueur des fragments, même après saturation de la fragmentation. Une analyse micromécanique innovante a été proposée à partir de ce retrait pour estimer la résistance interfaciale au cisaillement (IFSS), permettant d'estimer l'évolution décroissante de l'IFSS pendant l'essai de fragmentation. Les propriétés interfaciales sous chargement transversal ont également été caractérisées par des essais de traction in situ par microtomographie synchrotron à rayons X, révélant une relation entre la propagation de l'endommagement dans la direction axiale de la fibre et la qualité de l'interface. Les caractéristiques interfaciales déterminent aussi la présence d'amorces de fissures au niveau de l'interface, leur ouverture au niveau de la décohésion à l'interface, et leur propagation éventuelle dans la matrice. Une observation précise de l'initiation de l'endommagement interfacial a été obtenue par microscopie électronique à balayage lors d'essais de traction transversale in situ sur des échantillons composites modèles. Ils ont permis de montrer les effets induits par la qualité de l'interface sur les mécanismes d'endommagement au voisinage immédiat de la fibre. Ces résultats démontrent ainsi que la chimie de surface des fibres de carbone a une forte influence sur le cisaillement et l'ouverture à l'interface fibre-matrice, comparée à avec la rugosité de la surface de la fibre. Cependant, cette rugosité a un impact significatif sur la propagation de l'endommagement dans la direction longitudinale des fibres. De plus, une fois la fibre et la matrice complètement décollées, une rugosité plus élevée implique également une érosion plus importante de la surface du polymère en contact avec la fibre, ce qui entraîne une diminution plus rapide des valeurs de l'IFSS d'une part, et d'autre part une plus grande tendance à la formation de fissures qui se propageront dans la matrice.