A4 Absorption d'humidité et vieillissement environnemental

Topique

Lorsqu'un composite à matrice polymère est exposé à l'environnement, l'humidité ambiante se diffuse dans la matrice polymère selon la diffusion fickienne : l'humidité se déplace de la surface du composite vers son cœur, décrivant un profil de concentration qui évolue dans l'espace et le temps de la même manière que tout processus de diffusion régi par un gradient de concentration. L'exposition continue du composite à l'environnement provoque la poursuite de la diffusion de l'humidité dans la matrice.

Cette diffusion d'humidité dans la matrice ne se poursuit cependant pas indéfiniment : avec le temps, la matrice atteint une teneur en humidité de saturation, décrite par l'isotherme de Henry. Une humidité relative plus élevée dans l'environnement entraîne une augmentation proportionnelle de cette teneur en humidité de saturation, conformément à la même isotherme ; une humidité relative plus faible entraîne une diminution proportionnelle de cette teneur en humidité de saturation.

Lorsque la matrice polymère absorbe l'humidité et approche de son point de saturation, l'humidité la plastifie : les molécules d'eau s'insèrent entre les chaînes polymères, augmentant l'espace libre entre elles et facilitant leur glissement les unes sur les autres, à l'instar d'un plastifiant ajouté intentionnellement au polymère. Cette plastification abaisse la température de transition vitreuse de la matrice : plus la teneur en humidité absorbée est élevée, plus la température à laquelle la matrice passe d'un état solide rigide à un état souple est basse. Cette même absorption d'humidité, outre la plastification de la matrice, génère des contraintes hygroscopiques au sein du composite : la matrice gonfle localement en absorbant l'humidité, de la même manière qu'elle se dilaterait sous l'effet de la température, mais sous l'effet de la concentration en humidité plutôt que d'un gradient thermique. Le fait que ce gonflement hygroscopique de la matrice soit limité par les fibres composites, qui n'absorbent pas l'humidité et ne gonflent pas de la même façon, génère une contrainte hygroscopique interne, analogue à la contrainte thermique qui serait produite par un gradient de température plutôt que par un gradient d'humidité.

Par conséquent, ce modèle, avec la diffusion fickienne de l'humidité dans la matrice polymère avec laquelle il a été développé, décrit une anomalie unique aux composites à matrice polymère : le fait que la matrice d'un composite à matrice métallique ou d'un composite à matrice céramique n'absorbe pas l'humidité de la même manière qu'une matrice polymère signifie que ni la plastification de la matrice, ni la réduction de la température de transition vitreuse, ni la contrainte hygroscopique décrites par ce modèle ne se produisent dans ces deux autres types de composites.

ID:4420