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Contribution à  la détermination des paramètres ultrasonores des gondolements des fibres dans un matériau composite à  matrice céramique renforcé des fibres du «rhectophyllum camerunense

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par Emmanuel Georges MBEI LISSOUCK
Université-Douala ( UFD Physiques et Sciences de l'Ingénieur) - DEA Mécanique-Matériaux 2008
  

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CONTRIBUTION Á LA DÉTERMINATION DES PARAMÈTRES ULTRASONORES DES GONDOLEMENTS DES FIBRES DANS UN
MATÉRIAU COMPOSITE Á MATRICE CERAMIQUE RENFORCÉ DES FIBRES DU «RHECTOPHYLLUM
CAMERUNENSE».

V T V I C A C T

MEMOIRE DE MASTER II RECHERCHE

 

2008-2009

 
 

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MEMOIRE DE MASTER II RECHERCHE

 

2008-2009

 
 

CONTRIBUTION Á LA DÉTERMINATION DES PARAMÈTRES ULTRASONORES DES GONDOLEMENTS DES FIBRES DANS UN
MATÉRIAU COMPOSITE Á MATRICE CERAMIQUE RENFORCÉ DES FIBRES DU «RHECTOPHYLLUM
CAMERUNENSE».

R T .M T R C I T .M T J1 T' S

Ce travail de recherche est le fruit d'une collaboration entre le laboratoire de mécanique, matériaux ,structure et productique ( L2MSP ) de l'unité de formation doctorale de physique et sciences de l'ingénieur de l'université de Douala et la société HYDRAC S.A (HYDROCARBURES-ANALYSES-CONTROLES ),laboratoires certifiées ISO 9001 :2008 et ISO 14001 :2004.

J'adresse tous mes remerciements aux personnalités suivantes :

· Dr ATANGANA ATEBA Jean, responsable du Laboratoire de Mécanique, Matériaux, Structure et Productique (L2MSP) pour sa disponibilité, le suivi et l'encadrement de ce travail sans oublier les enseignements reçus de ce dernier.

· Dr NTENGA Richard, en tant qu'enseignant du L2MSP et surtout pour son encadrement.

· Mr MOUSSA BAKOURA, Expert CND niveau 3, HYDRAC S.A pour ses conseils dans la présentation des résultats.

· Mr NJENE EBONGO Hans, inspecteur certifié en ultrason, HYDRAC S.A pour son assistance dans l'acquisition des données en laboratoire d'ultrason.

· A tous les enseignants de l'unité de formation doctorale en physique et sciences de l'ingénieur.

· A tous les membres de jury qui ont bien voulu se prêter à l'évaluation de ce travail.

· A DJODA PAGORE, AYISSI Zacharie, NJOM Abel, NOAH (INSA-LYON) pour leur assistance dans les corrections et relecture.

· Aux enfants NGO MBEI SOUMEYYA FAOUZANNE, NGO MBEY AR-ROUBAI BALKIS, MBEI HABIBOU RAHMANE, ABOUBAKAR MBEI LISSOUCK pour leur soutien moral et leur patience de mon absence tout au long de ce travail.

· A ABDALLAH MOUYAKAM, Imam SOULEYMAN MBOUEMBOUO, IBRAHIM BIDIAS et NGO TIGYO FAIZA pour leur soutien moral.

MEMOIRE DE MASTER II RECHERCHE

 

2008-2009

 
 
 

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CAMERUNENSE».

£ISrT DTS I~1JRTS

N° figure Intitulé Page

Fig1.1. Fig.1.2. Fig.1.3. Fig.2.1

Paramètres qui conditionnent les performances d'un composite Concept d'interphase et d'interface

Rupture d'un composite à matrice céramique dans un test de traction selon la qualité de l'interface

Surpression d'un gaz dans un piston en mouvement

6

7

8
10

 

Fig.2.2 Variation du volume d'une tranche de fluide 10

Fig.2.3 Mouvement d'une masse constante de gaz 11

Fig.2.4 Ondes progressives et régressives 13

Fig.2.5 Représentation d'un volume balayé lors du déplacement 15

Fig.2.6 Représentation de la variation totale de volume 15

Fig.2.7 Représentation de la direction de propagation des OPP en 3D 17

Fig.2.8 Schéma de propagation d'une OPP suivant les axes 18

Fig.2.9 Schéma d'illustration d'une déformation 19

Fig.2.10 Volume représentatif 20

Fig.2.11 Propagation des ondes 22

Fig.2.12 Propagation des ondes planes dans les milieux isotropes 22

Fig.2.13 Projection de la vitesse d'énergie sur la direction de propagation 24

Fig.2.14 Allure schématique du lieu de l'extrémité du vecteur vitesse de 24

propagation

Fig.2.15 Illustration du phénomène de réflexion / transmission 25

Fig.2.16 Interprétation géométrique 1 26

MEMOIRE DE MASTER II RECHERCHE iv 2008-2009

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MATÉRIAU COMPOSITE Á MATRICE CERAMIQUE RENFORCÉ DES FIBRES DU «RHECTOPHYLLUM
CAMERUNENSE».

N° figure Intitulé Page

Fig.2.17 Interprétation géométrique 2 26

Fig.2.18 Présentation des vecteurs lenteurs sur la surface 27

Fig.2.19 Allure schématique des angles critiques et courbes des lenteurs 27

Fig.3.1 Principe de la mesure de vitesses en incidence oblique 32

Fig.4.1. Présentation des échantillons 34

Fig.4.2 Représentation A-scan des échos du bloc étalon normalisé 39

Fig.4.3 Représentation A-scan des échos de l'échantillon I 40

Fig.4.4 Représentation A-scan des échos de l'échantillon II 41

Fig.4.5 Représentation A-scan des échos de l'échantillon III 42

Fig.4.6 Représentation A-scan des échos IV de l'échantillon avec défauts 43

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MATÉRIAU COMPOSITE Á MATRICE CERAMIQUE RENFORCÉ DES FIBRES DU «RHECTOPHYLLUM
CAMERUNENSE».

LIS T DTS ARLTA'UX

N° Tableau Intitulé Page

Tableau 4.1 Caractéristiques des appareillages utilisés 35

Tableau 4.2. Résultats de l'étalonnage du bloc étalon normalisé 39

Tableau 4.3 Résultats de l'étalonnage sur échantillon de plâtre sain(I) 40

Tableau 4.4 Résultats de l'étalonnage sur échantillon de plâtre sain(II) 40

Tableau 4.5 Résultats de l'étalonnage sur échantillon de plâtre sain(III) 42

Tableau 4.7 Résultats du contrôle matériaux composites avec défauts 43

MEMOIRE DE MASTER II RECHERCHE

2008-2009

 

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MATÉRIAU COMPOSITE Á MATRICE CERAMIQUE RENFORCÉ DES FIBRES DU «RHECTOPHYLLUM
CAMERUNENSE».

£ISrT DTS ~~R~VLkTZO.NS

· u (x,t ) : champ scalaire de déplacement.

· O. . : onde plane progressive

· C.Jvt. : composite à matrice polymère

· C.Jvt.1i4 : composite à matrice métallique

· C.Jvt.0 : composite à matrice céramique

· o : pression de l'équilibre

· S : dilatation de la tranche de fluide

· 3I : force volumique

· 'VIT : vitesse onde longitudinale

· 'Vt : vitesse onde transversale

· 'Ve : vitesse d'énergie

· C.~~D : correction amplitude distance

· (x, t) : variation de pression

· dÙ : volume de la tranche

· ö (%Ù) : variation du de la tranche

· I : vecteur de poynting

MEMOIRE DE MASTER II RECHERCHE vii 2008-2009

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CAMERUNENSE».

rARLT DTS .MArZTRTS

INTRODUCTION GÉNÉRALE 1

PREMIERE PARTIE : REVUE DE LA LITTERATURE 3

CHAPITRE I : PRÉSENTATION DES MATÉRIAUX COMPOSITES 4

1.1. INTRODUCTION 4

1.2. DIFFERENTS TYPES DE COMPOSITES 4

I.3.COMPORTEMENT DE L'INTERFACE FIBRE / MATRICE DANS LES COMPOSITES A MATRICE

CERAMIQUE 6

I.3.1. Généralités 6

I.3.2. comportement d'un composite unidirectionnel (rôle de l'interface) 7

Chapitre II : PROPAGATION DES ONDES ULTRASONORES 10

2.1. INTRODUCTION 10

2.2. ÉQUATION DE PROPAGATION 10

2.2.1 Expression du champ de surpression 10

2.2.2 Équation fondamentale de la dynamique 11

2.2.3 Solutions progressives dans un milieu illimité 1D 12

2.2.4. Vitesse de propagation et propriétés du milieu 14

2.2.5. Notion d'impédance 14

2.3. RÉGIME D'ONDES PLANES DANS LES SOLIDES ANISOTROPES ILLIMITÉS 15

2.3.1. Modèle tridimensionnel 15

2.3.2. Flux de puissance - Vecteur de Poynting 16

2.4. PROPAGATION DES ONDES PLANES PROGRESSIVES EN 3D 17

2.4.1. Expression analytique des O. P. P. 18

2.5. PROPAGATION DES ONDES PLANES ET ÉTAT DES CONTRAINTES 19

2.5.1. Déformations 19

2.5.2. Contraintes 20

2.5.3. Équation du champ : équilibre statique - dynamique 20

2.5.4. Loi de comportement linéaire d'un solide élastique 21

2.5.5. Régime d'ondes planes dans les solides anisotropes illimités 21

2.6. PROPAGATION DES ONDES PLANES DANS LES MILIEUX ISOTROPES ILLIMITES 22

2.7. Vitesse d'énergie 23

2.8. Phénomènes de réflexion / transmission (régime d'ondes planes et milieux isotropes) 25

MEMOIRE DE MASTER II RECHERCHE viii 2008-2009

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MATÉRIAU COMPOSITE Á MATRICE CERAMIQUE RENFORCÉ DES FIBRES DU «RHECTOPHYLLUM
CAMERUNENSE».

DEUXIEME PARTIE : APPLICATION A LA CARACTERISATION DES PARAMETRES ULTRASONORES DE

DETECION DES GONDOLEMENTS DES FIBRES DANS UN MATERIAU COMPOSITE 28

CHAPITRE 3 : PRESENTATION GENERALE DE LA METHODE ET DU DISPOSITIF EXPERIMENTAL 29

3.1. INTRODUCTION 29

3.2. LE CONTRÔLE PAR REFLEXION SUR ECHO D'ANOMALIE 29

3.2.1. Définition de la méthode 29

3.2.1.1. La détection 29

3.2.1.2. La caractérisation 30

3.2.2. Méthode de mésure de l'amplitude des échos d'anomalie (réflectivité) 30

3.2.2.1. Méthode d'écho de fond 30

3.2.2.2. Méthode de la courbe expérimentale C.A.D. 31

3.3. MISE EN OEUVRE DU CONTRÔLE ULTRASONORE 31

3.3.1. contrôle par contact - contrôle par immersion 31

3.3.1.1. Contrôle par contact 31

3.4.1.2. Contrôle par immersion 32

CHAPITRE 4 : REALISATION DES ESSAIS PRATIQUES ULTRASONORES SUR UN MATERIAU

COMPOSITE(ESSAI DE DETECTION DES GONDOLEMENTS ) 34

4.1. INTRODUCTION 34

4.2. PRESENTATION DES EPROUVETTES ET DISPOSITIF D'ESSAI 34

4.2.1. Des éprouvettes 34

4.2.2. Fabrication et mise en oeuvre des composites 35

4.2.3. Dispositif d'essai 35

4.3.PREPARATION DU CONTROLE MANUEL 36

4.3.1. Vérification de l'appareillage 36

4.3.2. Etalonnage de la base de temps 36

4.3.3. Réglage d'amplification 37

4.4. EXECUTION DES ESSAIS 37

4.4.1. Le plan de sondage 37

4.5. PRESENTATION DES RESULTATS DE L'ESSAI ET COMMENTAIRES 38

4.5.1. Etalonnage de l'appareil en utilisant un bloc étalon en acier au carbone 38

4.5.2. Étalonnage de l'appareil en utilisant un échantillon de composite sain 39

4.5.3. Contrôle du matériau composite comportant des défauts artificiels (gondolements) 42

CONCLUSION 43

MEMOIRE DE MASTER II RECHERCHE ix 2008-2009

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RES'WMT

A mesure que le recours aux Matériaux Composites pousse aux limites de la science et de la technologie, certains défauts sur les fibres comme leurs distributions et géométrie qui leur sont traditionnellement associées prennent aussi de l'ampleur. Les techniques de détection et de quantification des gondolements des fibres (sinuosités) sont cependant limitées voire inexistantes. La méthode faisant appel aux rayons X est une possible voie d'exploration, mais reste hors de portée car elle est non portable et les couts de réalisation y relatifs sont encore élevés. Aussi, cette étude se propose de recourir aux techniques d'ultrasons pour dépasser ces limitations et parvenir ainsi à la détection et la quantification des défauts de gondolement des fibres en particulier.

Dans l'objectif de cette analyse micromécanique fine de l'interface fibre-matrice dans les composites, des échantillons de matériaux composites unifilamentaires à base du "Rhectophyllum Camerunense " et du plâtre ont été élaborés, en incorporant quelques défauts artificiels (gondolements).

La détermination des paramètres de détection de ces défauts artificiels et inter faciaux a impliqué des essais non destructifs aux ultrasons qui ont été effectués en utilisant une technique expérimentale de contrôle ultrasonore par contact.

L'absence des données sur les caractéristiques ultrasonores de ce type de matériau composite nous a conduit de prime abord à établir les paramètres de détection de ces défauts de gondolements. La détermination de ces paramètres a conduit à l'étalonnage successif de l'appareillage en utilisant comme matériau de référence notre échantillon sain de composites. Ceci a aboutit à établir un seuil de réflectivité des échos d'anomalies comme paramètres de détection ainsi qu'un préalable pour les essais ultrasonores sur un matériau composite à fibre naturelle / plâtre.

Mots-clés : Fibres naturelles-Gondolement-Materiaux Composites-Détection-QuantificationUltrason- plâtre

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CAMERUNENSE».

~RS~44Cr

As the recourse to Composite Materials leads to the limits of science and technology, certain defects on fibres like their distribution and geometry, which are traditionally associated for them, become also extensive. The techniques of detection and quantification of the gondolements of the fibres (sinuosity) are however limited even non-existent. The method calling upon x-rays is a possible way of exploration, but remains out of reach and it is not portable. The costs of realization relating to it are still high. In addition, this study proposes to resort to the techniques of ultrasounds to exceed these limitations and to thus arrive at detection and the quantification of the defects of gondolements of fibres in particular.

In the objective of this micromechanical analysis of the interface matrix / fibres in the composites, the unifilamental composite material samples at base of "Rhectophyllum Camerunense" fibres and the plaster was elaborate, by incorporating some artificial defects (gondolements).

The determination of the parameters of detection of these artificial defects and inters facial implied non-destructive tests with the ultrasounds, which were carried out by using an experimental technique of ultrasonic control per contact.

The absence of the data on the ultrasonic characteristics of such composite materials first led us to establish the parameters of detection of these defects of gondolements. The determination of these parameters led to the successive calibration of equipment by using like material of reference our healthy sample of composites. This leads to establish a threshold of reflectivity of the echoes of anomalies like parameters of detection as well as a precondition for the ultrasonic tests on a composite material to natural fiber/plaster.

Keys words: natural Fibres-Gondolements- Composites material-Detection-QuantificationUltrasound- plaster

MEMOIRE DE MASTER II RECHERCHE

2008-2009

 

MEMOIRE DE MASTER II RECHERCHE 1 2008-2009

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COMPOSITE Á MATRICE CERAMIQUE RENFORCÉ DES FIBRES DU «RHECTOPHYLLUM
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La Quadrature du Net