This thesis aimed at experimentally investigate damage initiation and growth of FRCs under transverse loading at the fiber level, provide in plane and out of plane full field measurements and crack area measurements for different single fiber composites and for a bundle of carbon fibers.

Firstly, a single fiber composite specimen is designed and manufactured in such a way that a large fiber, approximately 1 mm in diameter, is under transverse loading during a tensile test. Four specimens were manufactured out of fibers having strong adhesive bonding with epoxies and no adhesive bonding with epoxies combined with an epoxy and a modified epoxy. A stereoscopic Digital Image Correlation (DIC) setup is then used to track 3D displacements and compute in plane strains for a fiber’s free surface and its vicinity. The experimental results showed that inter-facial debonding happened in three steps, an inter-facial crack opened under Mode I at the fiber / matrix interface at the location where an out of plane displacement difference between the fiber and matrix was the highest and where ε_y was maximum for all specimens. The inter-facial debonding crack then grew under mixed mode around the fiber while it kept protruding out of the matrix. Finally, specimen failure occurred differently for the specimens with no adhesive bonding compared to the strongly bonded ones. For the ones without adhesive bonding, specimen failure was caused by a crack growing under Mode I in the matrix where fibers were horizontally compressed and large out of plane deformation was experienced. Strongly bonded specimens’ failure was also caused by a Mode I crack growing in the matrix but located where the tension is maximal within the inter-facial crack’s free surface. The complete experimental results, containing the stereoscopic full field displacement and strain results for each test and timestep, were provided in a data package for further analysis, or benchmarking of simulation results.

DIC provided quantitative information about displacement and strain fields, however, the method has limitations in the vicinity of cracks. In addition, DIC did not provide any quantitative information about cracks themselves. A method using the raw images from the experiment and the DIC results was developed to combine both results and accurately determine the crack area, crack path in the reference coordinates and the exact applied stress on the specimen for the crack to grow through a certain area. This method was applied to the previously mentioned experiments. Results showed that inter-facial crack initiation happens in fact at the same strain value applied on the specimen, whether the fiber has strong or weak adhesive bonding. Crack area growth was after that higher, with respect to the applied strain, for specimens with no inter-facial bonding. For strongly bonded specimens, crack growth happens much slower, delaying growth of the inter-facial crack into the matrix and specimen failure. The final crack path in the reference coordinate showed differences between the strongly bonded and not bonded specimens, consistent with the different final failure mechanisms observed previously. The code used to obtain these results was open sourced and made available in an online data package hosted on Zenodo.

Finally, micro-tensile experimental setup combined to a Laser Scanning Confocal Microscope (LSCM) was used to observe single fibers of about 200 µm in diameter. Single fiber experiments similar to the ones previously presented were done with a fiber with no adhesive bonding, a fiber with weak adhesive bonding and a fiber with strong adhesive bonding. Out of plane measurements were also done for each micrograph taken. Full field displacement and strain field results confirmed observations and measurements from previous experiments with larger fibers with a higher resolution and magnification. In addition to single fiber composites, a specimen was also manufactured with a bundle of commercial carbon fibers (each fiber is about 7.5 µm) instead of a single fiber. Different areas of the bundle were observed:​ a large bundle of about 100 fibers, a smaller isolated bundle of about 5 fibers and a single carbon fiber. In plane displacement and strain fields in addition to out of plane measurements were obtained for each experiment and provided quantitative measurements while damage was growing. Damage initiated and then localized at the edges of the bundle, for the large and smaller one. Inter-facial cracks started by appearing for fibers located at the edges of a bundle, these cracks then coalesced, forming a large inter-facial crack all around the bundle while the core remained undamaged. The role of out of plane inter-facial cracks was specifically highlighted as it facilitated the growth of in plane crack. These results also showed that crack initiation might be caused by an initial out of plane mismatch present in all FRCs. The complete experimental results, containing the stereoscopic full field displacement and strain results for each test and timestep, were provided in a data package for further analysis, or benchmarking of simulation results.

In this thesis, inter-facial debonding of fibers with different adhesive bonding strengths was experimentally investigated at different scales while damage is growing. Full field displacement and strain fields measured are provided and can be used by fellow researchers in order to obtain the precise opening mode at any point along the interface, to determine the exact layout of cohesive elements for simulation work, or to benchmark simulation results for various fiber / matrix combination having different adhesive bonding strengths.

La rentabilité de l’industrie aérospatiale est fortement liée à une réduction de la consommation de carburant et de la masse des structures utilisées tout en maintenant un niveau de performance et de sécurité similaire. Pour atteindre ces objectifs, les matériaux composites à renfort fibreux (CRF) sont de plus en plus utilisés dans cette industrie. Ces matériaux offrent une résistance spécifique élevée, résistent à la corrosion, sont légers par rapport à leurs propriétés mécaniques et ont de bonnes propriétés de résistance à la fatigue. Ces matériaux sont de plus en plus utilisés mais sont aussi considérés comme une des causes de plusieurs catastrophes aériennes. Les capacités de prédictions de l’état d’endommagement et de rupture de pièces faites en CRF sont encore limitées, tel que démontré par les deux éditions terminées du World Wide Failure Exercise.

L’endommagement dans les CRF est caractérisé par une multitude d’événements microscopiques qui se développent puis se regroupent graduellement jusqu’à former un large réseau de micro fissures à travers le matériau. À l’échelle de la fibre, le type d’endommagement le plus critique pour des CRF unidirectionnels est la décohésion inter-faciale entre les fibres et la matrice d’après la littérature. Ce mécanisme commence avec une décohésion inter-faciale en Mode I entre la fibre et la matrice, la fissure inter-faciale se propage ensuite autour de la fibre dans et hors plan. L’interface entre la fibre et la matrice ne peut alors plus transférer de contraintes correctement, ce qui entraîne une augmentation locale de la contrainte autour de la fibre en décohésion. Une des fibres environnantes va ensuite à son tour avoir une décohésion inter-faciale qui se produit dû à l’augmentation de contrainte, et ainsi de suite pour toutes les fibres environnantes. La rupture de l’échantillon se produit éventuellement lorsque les fissures de décohésion commencent à croître dans la matrice, se regroupent et forment un large réseau de fissures qui grandit à travers tout le spécimen. Des observations de décohésion inter-faciale sont disponibles dans la littérature, mais il n’y a pas encore de modèle pour ce mécanisme qui est généralement accepté. La décohésion inter-faciale implique une croissance de la fissure en Mode I, en Mode II et en mode mixte. D’autres mécanismes s’ajoutent aussi, tels que la friction entre la fibre et la matrice, les contraintes résiduelles dues à la cuisson de la matrice et le retrait chimique de la matrice durant la cuisson. Cette combinaison de mécanismes qui participent à la décohésion inter-faciale en font un mécanisme d’endommagement complexe. Des données expérimentales additionnelles, telles que les champs de déplacement ou de déformation in-situ, permettraient de fournir une compréhension plus complète de la décohésion inter-faciale pour différents types de fibres.

Cette thèse a pour but d’étudier expérimentalement l’initiation et la croissance de l’endommagement dans un CRF en chargement transverse, à l’échelle de la fibre (i.e., microscopique). Cette thèse fournit des mesures du champ de déplacement et de déformation in-situ dans et hors du plan d’observation, des mesures de l’aire des fissures inter-faciales pour différents types de fibres durant la croissance de l’endommagement et pour un toron de fibres de carbone.

Dans la première phase de ce travail, un composite à fibre unique a été conçu et fabriqué pour qu’une fibre de taille relativement large, environ 1 mm de diamètre, soit en chargement transverse durant un test de traction. Quatre spécimens de ce type ont été fabriqués, deux d’entre eux contiennent une fibre qui ne forme pas de liens avec l’époxy (PTFE, aussi appelé Teflon TM), le premier ayant une matrice en époxy et le second une matrice en époxy modifiée. Deux autres sont faits avec une fibre qui se lie fortement à l’époxy (acier galvanisé), l’un a une matrice en époxy et l’autre en époxy modifiée. Un montage pour la corrélation d’image numérique (CIN) stéréoscopique a ensuite été utilisé pour obtenir les déplacements des pixels observés et calculer les déformations dans le plan pour la surface visible d’une des fibres et la matrice environnante. Les résultats ont montré que la décohésion inter-faciale se produit en trois étapes, tout d’abord une fissure inter-faciale commence par s’ouvrir en Mode I à l’interface fibre / matrice là où la différence de déplacement hors plan entre la fibre et la matrice est la plus grande et où la déformation dans la direction de la traction, ε_y, est maximale, pour tous les spécimens. La fissure inter-faciale grandit ensuite en mode mixte autour de la fibre. L’effet poisson est visible par la contraction de la matrice dans la direction de la fibre qui fait qu’elle dépasse hors de la matrice. E

La rentabilité de l’industrie aérospatiale est fortement liée à une réduction de la consommation de carburant et de la masse des structures utilisées tout en maintenant un niveau de performance et de sécurité similaire. Pour atteindre ces objectifs, les matériaux composites à renfort fibreux (CRF) sont de plus en plus utilisés dans cette industrie. Ces matériaux offrent une résistance spécifique élevée, résistent à la corrosion, sont légers par rapport à leurs propriétés mécaniques et ont de bonnes propriétés de résistance à la fatigue. Ces matériaux sont de plus en plus utilisés mais sont aussi considérés comme une des causes de plusieurs catastrophes aériennes. Les capacités de prédictions de l’état d’endommagement et de rupture de pièces faites en CRF sont encore limitées, tel que démontré par les deux éditions terminées du World Wide Failure Exercise.

L’endommagement dans les CRF est caractérisé par une multitude d’événements microscopiques qui se développent puis se regroupent graduellement jusqu’à former un large réseau de micro fissures à travers le matériau. À l’échelle de la fibre, le type d’endommagement le plus critique pour des CRF unidirectionnels est la décohésion inter-faciale entre les fibres et la matrice d’après la littérature. Ce mécanisme commence avec une décohésion inter-faciale en Mode I entre la fibre et la matrice, la fissure inter-faciale se propage ensuite autour de la fibre dans et hors plan. L’interface entre la fibre et la matrice ne peut alors plus transférer de contraintes correctement, ce qui entraîne une augmentation locale de la contrainte autour de la fibre en décohésion. Une des fibres environnantes va ensuite à son tour avoir une décohésion inter-faciale qui se produit dû à l’augmentation de contrainte, et ainsi de suite pour toutes les fibres environnantes. La rupture de l’échantillon se produit éventuellement lorsque les fissures de décohésion commencent à croître dans la matrice, se regroupent et forment un large réseau de fissures qui grandit à travers tout le spécimen. Des observations de décohésion inter-faciale sont disponibles dans la littérature, mais il n’y a pas encore de modèle pour ce mécanisme qui est généralement accepté. La décohésion inter-faciale implique une croissance de la fissure en Mode I, en Mode II et en mode mixte. D’autres mécanismes s’ajoutent aussi, tels que la friction entre la fibre et la matrice, les contraintes résiduelles dues à la cuisson de la matrice et le retrait chimique de la matrice durant la cuisson. Cette combinaison de mécanismes qui participent à la décohésion inter-faciale en font un mécanisme d’endommagement complexe. Des données expérimentales additionnelles, telles que les champs de déplacement ou de déformation in-situ, permettraient de fournir une compréhension plus complète de la décohésion inter-faciale pour différents types de fibres.

Cette thèse a pour but d’étudier expérimentalement l’initiation et la croissance de l’endommagement dans un CRF en chargement transverse, à l’échelle de la fibre (i.e., microscopique). Cette thèse fournit des mesures du champ de déplacement et de déformation in-situ dans et hors du plan d’observation, des mesures de l’aire des fissures inter-faciales pour différents types de fibres durant la croissance de l’endommagement et pour un toron de fibres de carbone.

Dans la première phase de ce travail, un composite à fibre unique a été conçu et fabriqué pour qu’une fibre de taille relativement large, environ 1 mm de diamètre, soit en chargement transverse durant un test de traction. Quatre spécimens de ce type ont été fabriqués, deux d’entre eux contiennent une fibre qui ne forme pas de liens avec l’époxy (PTFE, aussi appelé Teflon TM), le premier ayant une matrice en époxy et le second une matrice en époxy modifiée. Deux autres sont faits avec une fibre qui se lie fortement à l’époxy (acier galvanisé), l’un a une matrice en époxy et l’autre en époxy modifiée. Un montage pour la corrélation d’image numérique (CIN) stéréoscopique a ensuite été utilisé pour obtenir les déplacements des pixels observés et calculer les déformations dans le plan pour la surface visible d’une des fibres et la matrice environnante. Les résultats ont montré que la décohésion inter-faciale se produit en trois étapes, tout d’abord une fissure inter-faciale commence par s’ouvrir en Mode I à l’interface fibre / matrice là où la différence de déplacement hors plan entre la fibre et la matrice est la plus grande et où la déformation dans la direction de la traction, ε_y, est maximale, pour tous les spécimens. La fissure inter-faciale grandit ensuite en mode mixte autour de la fibre. L’effet poisson est visible par la contraction de la matrice dans la direction de la fibre qui fait qu’elle dépasse hors de la matrice. Enfin, lors de la dernière étape, la rupture finale du spécimen se produit différemment pour les spécimens avec une forte cohésion entre la fibre et la matrice et ceux sans cohésion. Pour les spécimens sans cohésion, la rupture finale est provoquée par une fissure qui s’initie et grandit en Mode I dans la matrice à l’endroit où la fibre est compressée horizontalement et où la différence de déplacement hors plan est la plus importante entre la fibre et la matrice. Pour les spécimens avec une forte cohésion, la rupture finale a aussi été provoquée par une fissure en Mode I mais qui s’initie le long d’une des nouvelles surfaces de la fissure inter-faciale, là où ε_y est maximum. Aux alentours de l’interface fibre / matrice, ε_y est 4 à 5 fois supérieur à la déformation appliquée au spécimen. La totalité des résultats expérimentaux, qui contiennent les mesures des champs de déplacement et déformation pour chaque spécimen et chaque pas de temps, sont fournis dans un paquet de données mis à disposition pour effectuer des analyses différentes de la décohésion inter-faciale ou comparer des résultats de simulation pour des modèles d’endommagement micro-mécanique.

La CIN a aussi permis d’obtenir des informations quantitatives à propos des champs de dé- placement et de déformation concernant la décohésion inter-faciale, mais cette méthode a des limitations, principalement autour de fissures. La CIN ne permet pas non plus d’obtenir des informations quantitatives à propos des fissures elles mêmes car elles perturbent le mouchetis utilisé pour la CIN. Les images utilisées pour l’analyse de CIN et les résultats de cette analyse ont donc été utilisés pour développer une méthode qui permet de précisément délimiter la fissure, déterminer le chemin de la fissure dans les coordonnées de l’image initiale et de mesurer l’aire de la fissure à tout moment. La méthode permet aussi de déterminer avec précision la contrainte ou l’allongement nécessaire pour faire grandir la fissure à travers une zone quelconque de son chemin. Cette méthode a été appliquée aux résultats expérimentaux des expériences précédemment présentées:​ le spécimen avec une fibre de PTFE moulée dans de l’époxy, et celui avec une fibre d’acier galvanisé moulée dans de l’époxy. Les résultats de cette méthode montrent que l’initiation de la fissure se produit pour la même valeur de déformation appliquée pour les spécimens qui ont une forte cohésion entre la fibre et la matrice et ceux sans cohésion. L’initiation semble donc être indépendante de la cohésion entre la fibre et la matrice. Pour les spécimens avec une forte cohésion, la croissance de la fissure se produit de manière beaucoup plus lente que pour ceux sans cohésion, la croissance de la fissure dans la matrice est retardée, ce qui retarde la rupture du spécimen aussi. La forme du chemin de la fissure finale dans les coordonnées de l’image initiale présente aussi des différences entre les spécimens avec une forte cohésion et sans cohésion. Le programme informatique qui a été utilisé pour implémenter la méthode présentée est fournie comme un logiciel libre pour permettre à d’autres chercheurs d’effectuer des analyses similaires en utilisant des résultats de CIN.

Enfin, un montage d’essai différent qui consiste en un microscope laser confocal à balayage (MLCB) et une machine de micro-traction ont été utilisés pour observer trois spécimens à fibre unique dont les diamètres sont 711 µm, 200 µm et 180 µm. Trois spécimens à fibres uniques ont été préparés, l’un avec une fibre qui n’a pas de cohésion avec l’époxy, le second avec une fibre qui a une cohésion faible avec l’époxy et le dernier avec une fibre qui a une cohésion forte avec l’époxy. Les échantillons fabriqués étaient semblables à ceux utilisés pour le montage de CIN stéréoscopique où la fibre se retrouve aussi en chargement transverse durant l’expérience. Les résultats obtenus ont confirmé les observations et mesures effectuées avec les composites à fibre unique en PTFE et acier galvanisé. Le montage d’essai utilisé a permis d’obtenir des résultats avec une résolution 50 fois plus grande et un grossissement 24 fois grand. En plus des spécimens à fibre unique, un spécimen a aussi été préparé avec un toron de fibres de carbones au lieu d’une fibre unique. Différentes zones du toron ont été observées:​ un large toron contenant environ cent fibres, un toron plus petit qui ne contient que cinq fibres et une fibre de carbone unique isolée. Chaque fibre a un diamètre d’environ 7.5 µm. Les champs de déplacement et de déformation dans le plan en plus des mesures de profondeur ont été obtenus pour chaque zone observée. L’endommagement s’est initié et est resté localisé sur les bords des torons. Les fissures inter-faciales commencent par apparaître à l’interface des fibres qui se trouvent à la périphérie du toron. Elles se regroupent ensuite en une large fissure autour de chaque toron qui grandit. Les fibres à l’intérieur du toron avec une centaine de fibres ne sont pas affectées par l’endommagement. La présence de fissures dans la direction de la fibre, i.e. les fissures hors-plan, a aussi été analysée. Les fissures hors-plan sont plus larges que les fissures visibles dans le plan. Les résultats de mesure hors plan ont aussi montré que l’initiation de fissure serait dû à la présence d’un décalage entre la surface libre de la fibre et celle de la matrice avant le début de l’expérience dû aux différents modules d’Young de la fibre et de la matrice. L’intégralité des résultats expérimentaux générés par ces expériences a aussi été préparée et mise à disposition dans un paquet de données disponible en ligne.

Dans cette thèse, la décohésion inter-faciale de fibres ayant différentes cohésions avec une même matrice a été étudié expérimentalement à différentes échelles pendant que l’endommagement se propage. Les résultats obtenus sont quantitatifs et sont fournis pour permettre à d’autres chercheurs de les utiliser pour obtenir le mode d’ouverture à différents endroits de l’interface par exemple. Ces résultats pourraient aussi être utilisés pour préparer des simulations similaires, pour le placement d’éléments cohésifs par exemple. Les simulations d’endommagement à l’échelle de la fibre peuvent être comparés avec les données des résultats expérimentaux fournis, pour différents types de cohésions.

nfin, lors de la dernière étape, la rupture finale du spécimen se produit différemment pour les spécimens avec une forte cohésion entre la fibre et la matrice et ceux sans cohésion. Pour les spécimens sans cohésion, la rupture finale est provoquée par une fissure qui s’initie et grandit en Mode I dans la matrice à l’endroit où la fibre est compressée horizontalement et où la différence de déplacement hors plan est la plus importante entre la fibre et la matrice. Pour les spécimens avec une forte cohésion, la rupture finale a aussi été provoquée par une fissure en Mode I mais qui s’initie le long d’une des nouvelles surfaces de la fissure inter-faciale, là où ε_y est maximum. Aux alentours de l’interface fibre / matrice, ε_y est 4 à 5 fois supérieur à la déformation appliquée au spécimen. La totalité des résultats expérimentaux, qui contiennent les mesures des champs de déplacement et déformation pour chaque spécimen et chaque pas de temps, sont fournis dans un paquet de données mis à disposition pour effectuer des analyses différentes de la décohésion inter-faciale ou comparer des résultats de simulation pour des modèles d’endommagement micro-mécanique.

La CIN a aussi permis d’obtenir des informations quantitatives à propos des champs de dé- placement et de déformation concernant la décohésion inter-faciale, mais cette méthode a des limitations, principalement autour de fissures. La CIN ne permet pas non plus d’obtenir des informations quantitatives à propos des fissures elles mêmes car elles perturbent le mouchetis utilisé pour la CIN. Les images utilisées pour l’analyse de CIN et les résultats de cette analyse ont donc été utilisés pour développer une méthode qui permet de précisément délimiter la fissure, déterminer le chemin de la fissure dans les coordonnées de l’image initiale et de mesurer l’aire de la fissure à tout moment. La méthode permet aussi de déterminer avec précision la contrainte ou l’allongement nécessaire pour faire grandir la fissure à travers une zone quelconque de son chemin. Cette méthode a été appliquée aux résultats expérimentaux des expériences précédemment présentées:​ le spécimen avec une fibre de PTFE moulée dans de l’époxy, et celui avec une fibre d’acier galvanisé moulée dans de l’époxy. Les résultats de cette méthode montrent que l’initiation de la fissure se produit pour la même valeur de déformation appliquée pour les spécimens qui ont une forte cohésion entre la fibre et la matrice et ceux sans cohésion. L’initiation semble donc être indépendante de la cohésion entre la fibre et la matrice. Pour les spécimens avec une forte cohésion, la croissance de la fissure se produit de manière beaucoup plus lente que pour ceux sans cohésion, la croissance de la fissure dans la matrice est retardée, ce qui retarde la rupture du spécimen aussi. La forme du chemin de la fissure finale dans les coordonnées de l’image initiale présente aussi des différences entre les spécimens avec une forte cohésion et sans cohésion. Le programme informatique qui a été utilisé pour implémenter la méthode présentée est fournie comme un logiciel libre pour permettre à d’autres chercheurs d’effectuer des analyses similaires en utilisant des résultats de CIN.

Enfin, un montage d’essai différent qui consiste en un microscope laser confocal à balayage (MLCB) et une machine de micro-traction ont été utilisés pour observer trois spécimens à fibre unique dont les diamètres sont 711 µm, 200 µm et 180 µm. Trois spécimens à fibres uniques ont été préparés, l’un avec une fibre qui n’a pas de cohésion avec l’époxy, le second avec une fibre qui a une cohésion faible avec l’époxy et le dernier avec une fibre qui a une cohésion forte avec l’époxy. Les échantillons fabriqués étaient semblables à ceux utilisés pour le montage de CIN stéréoscopique où la fibre se retrouve aussi en chargement transverse durant l’expérience. Les résultats obtenus ont confirmé les observations et mesures effectuées avec les composites à fibre unique en PTFE et acier galvanisé. Le montage d’essai utilisé a permis d’obtenir des résultats avec une résolution 50 fois plus grande et un grossissement 24 fois grand. En plus des spécimens à fibre unique, un spécimen a aussi été préparé avec un toron de fibres de carbones au lieu d’une fibre unique. Différentes zones du toron ont été observées:​ un large toron contenant environ cent fibres, un toron plus petit qui ne contient que cinq fibres et une fibre de carbone unique isolée. Chaque fibre a un diamètre d’environ 7.5 µm. Les champs de déplacement et de déformation dans le plan en plus des mesures de profondeur ont été obtenus pour chaque zone observée. L’endommagement s’est initié et est resté localisé sur les bords des torons. Les fissures inter-faciales commencent par apparaître à l’interface des fibres qui se trouvent à la périphérie du toron. Elles se regroupent ensuite en une large fissure autour de chaque toron qui grandit. Les fibres à l’intérieur du toron avec une centaine de fibres ne sont pas affectées par l’endommagement. La présence de fissures dans la direction de la fibre, i.e. les fissures hors-plan, a aussi été analysée. Les fissures hors-plan sont plus larges que les fissures visibles dans le plan. Les résultats de mesure hors plan ont aussi montré que l’initiation de fissure serait dû à la présence d’un décalage entre la surface libre de la fibre et celle de la matrice avant le début de l’expérience dû aux différents modules d’Young de la fibre et de la matrice. L’intégralité des résultats expérimentaux générés par ces expériences a aussi été préparée et mise à disposition dans un paquet de données disponible en ligne.

Dans cette thèse, la décohésion inter-faciale de fibres ayant différentes cohésions avec une même matrice a été étudié expérimentalement à différentes échelles pendant que l’endommagement se propage. Les résultats obtenus sont quantitatifs et sont fournis pour permettre à d’autres chercheurs de les utiliser pour obtenir le mode d’ouverture à différents endroits de l’interface par exemple. Ces résultats pourraient aussi être utilisés pour préparer des simulations similaires, pour le placement d’éléments cohésifs par exemple. Les simulations d’endommagement à l’échelle de la fibre peuvent être comparés avec les données des résultats expérimentaux fournis, pour différents types de cohésions.