SYS-857 Matériaux composites Chapitre 1- Introduction A2013 CHAPITRE 1 INTRODUCTION 1.1 Définitions Les matériaux utilisés dans les structures peuvent être classifiés en quatre catégories : métaux, polymères, céramiques et composites. Figure 1.1 [Ashby] Un composite est un matériau qui diffère des matériaux macroscopiquement homogènes habituels comme les métaux et les polymères. Il comprend des fibres continues ou coupées d’un matériau résistant (renfort) qui sont noyées dans une matrice dont la résistance mécanique est beaucoup plus faible. Il existe plusieurs types d’arrangement de fibres. Le rôle de la matrice est double : elle conserve la disposition des fibres et leur transmet les sollicitations auxquelles est soumise la pièce. Un composite est très hétérogène et fortement anisotrope. Les renforts se présentent généralement sous diverses formes : linéique, surfacique et structures multidirectionnelles. • Formes linéiques : Une fibre (diamètre environ de 10 µm) est trop petite pour l’utilisation unitaire. On trouve en général, des fils ou mèches qui sont assemblés à partir de plusieurs fibres. L’unité de masse linéique est le tex (1 tex = 1 g/km). Anh Dung NGÔ Page 1 SYS-857 Matériaux composites Chapitre 1- Introduction A2013 Figure 1.2 [Gay] • Formes surfaciques : o Tissus et rubans : Anh Dung NGÔ Page 2 SYS-857 Matériaux composites Chapitre 1- Introduction A2013 Figure 1.3 [Gay] o Mats : Ce sont des nappes de fils continus ou coupés, disposés dans un plan suivant une direction aléatoire. Ils sont maintenus ensemble par un liant. Le mat est isotrope à cause de l’absence d’orientation préférentielle des fibres. • Structures multidimensionnelles : o Tresses et préformes : Figure 1.4 [Berthelot] o Tissus multidirectionnels : Anh Dung NGÔ Page 3 SYS-857 Matériaux composites Chapitre 1- Introduction A2013 Figure 1.5 [Berthelot] Note : Les renforts peuvent également s’arranger sous formes hybrides (mélange de fils continus et les fils coupés) afin d’augmenter la résistance du composite. 1.2 Fibres • Verre : Les filaments sont obtenus par filage de verre en fusion à travers des filières en alliage de platine. On trouve généralement deux types commercialement disponibles : E et S. Anh Dung NGÔ Page 4 SYS-857 Matériaux composites Chapitre 1- Introduction (a) A2013 (b) Figure 1.6 Procédés de fabrication des fibres de verre : (a) étirage mécanique ou silionne; (b) étirage pneumatique ou verrane [Berthelot] • Carbone : Les fibres de carbone sont obtenues à partir des précurseurs sous forme de filament. Les fibres utilisées sont les fibres acryliques d’origine poly acrylonitrile (PAN) ou les fibres élaborées à partir du brai (Pitch). Les fibres sont oxydées à chaud (300 °C), puis chauffés à 1500 °C dans une atmosphère d’azote (carbonisation). Le module d’élasticité élevé est obtenu par filage à chaud (graphitation). Les fibres de carbone contiennent environ 95 % de carbone tandis que les fibres de graphite en contiennent près de 99 %. Le prix des fibres de carbone est plus élevé que celui des fibres de verre. • Aramide (Kevlar) : plus légères que les fibres de verre. • Bore : filaments de tungstène • Carbure de silicium : utilisé dans les composites métalliques. Anh Dung NGÔ Page 5 SYS-857 Matériaux composites Chapitre 1- Introduction A2013 Tableau 1.1 [Gibson] 1.3 Nids d’abeilles Carton imprégné, tissus de verre imprégné, aluminium, papier Nomex. Nids d’abeilles : ces matériaux sont utilisés dans les structures sandwiches où le rapport « rigidité en lexion / poids » est un facteur important. Figure 1.7 [Gibson] Anh Dung NGÔ Page 6 SYS-857 Matériaux composites Chapitre 1- Introduction A2013 1.4 Matrice • Résines : o Thermodurcissables : polyester, phénoliques, mélamines, silicones, polyuréthannes, époxydes, etc. o Thermoplastiques : polypropylène (PP), polysulfure de phénylène (PPS), polyamide (PA), polyéther-éther-cétone (PEEK). Minéraux : carbure de silicium, carbone. Métaux : alliages d’aluminium, de titane, etc. Tableau 1.2 Propriétés physiques des résines [Gay] • • Anh Dung NGÔ Page 7 SYS-857 Matériaux composites Chapitre 1- Introduction A2013 1.4 Charges • Charges renforçantes : o Sphériques (10 <Φ<150 µm) : microbilles de verre creusées ou pleines, microbilles de carbone. o Non sphériques : mica sous forme d’écailles (environ 300 x 10µm) • Charges non renforçantes : Ces matériaux sont ajoutés à la résine afin de réduire le coût de la résine. Ils sont extraits de roches ou de minerais (carbonate de calcium, talc, kaolin, silices etc.). L’incorporation de ces charges à la matrice a pour effet d’augmenter certaines propriétés, entre autres, la masse volumique, le module d’élasticité, la dureté, la viscosité et la stabilité dimensionnelle. Par contre, on obtient une réduction du prix, de la résistance à la traction et de la résistance à la flexion du composite. • Charges ignifugeantes : hydrate d’alumine, oxyde d’antimoine. 1.5 Additifs • Lubrifiants et agents de démoulage • Pigments et colorants • Agents anti-retraits • Agents ultraviolets Remarques : • Les caractéristiques des composites seront en fonction des proportions de renfort/matrice, du conditionnement du renfort et du processus de fabrication. Anh Dung NGÔ Page 8 SYS-857 Matériaux composites Chapitre 1- Introduction A2013 Figure 1.8 [Gay] • Les composites ne plastifient pas. Les composites sont affectés par la chaleur et par l’humidité. Ils ne se corrodent pas sauf en cas de contact entre l’aluminium et les fibres de carbone. Ils sont insensibles aux produits chimiques (graisses, huiles, etc.) et ont une tenue aux impacts et aux chocs inférieure à celle des métaux. Figure 1.9 [Gay] Anh Dung NGÔ Page 9 SYS-857 Matériaux composites Chapitre 1- Introduction A2013 1.6 Procédés de fabrication 1.6.1 Moulage au contact Figure 1.10 [Gay] 1.6.2 Moulage sous vide Figure 1.11 [Gay] Anh Dung NGÔ Page 10 SYS-857 Matériaux composites Chapitre 1- Introduction 1.6.3 A2013 Moulage par compression Figure 1.12 [Gay] 1.6.4 Moulage par injection de pré-imprégné (Injection Molding) Figure 1.13 [Gay] 1.6.5 Moulage par injection de mousse Figure 1.14 [Gay] 1.6.6 Enroulement filamentaire Anh Dung NGÔ Page 11 SYS-857 Matériaux composites Chapitre 1- Introduction A2013 Figure 1.15 [Gay] 1.6.7 Formage de profilé Figure 1.16 [Gay] 1.6.8 Formage par estampage (thermoplastiques) Figure 1.17 [Gay] 1.7 Applications • Aéronautiques • Automobiles • Construction • Équipements sportifs Anh Dung NGÔ Page 12 SYS-857 Matériaux composites Chapitre 1- Introduction A2013 Figure 1.18 [Gibson] Figure 1.19 Pièces aéronautiques en composites [Gay] Figure 1.20 Pièces aéronautiques en sandwiches [Gay] Anh Dung NGÔ Page 13 SYS-857 Matériaux composites Chapitre 1- Introduction A2013 1.8 Étude de comportements mécaniques des composites 1.8.1 Micromécanique : Le comportement de la couche élémentaire (pli ou monocouche) à partir des propriétés mécaniques intrinsèques des matériaux constituants ainsi que leur proportion volumique constituent l’objectif principal de la micromécanique. Fibre σ σ Figure 1.21 1.8.2 Macromécanique : Cette discipline vise à établir les relations entre les contraintes et les déformations d’abord au niveau du pli élémentaire et extrapoler à des composites comportant plusieurs plis élémentaires disposés de façon quelconque les uns par rapport aux autres (stratifié ou multicouche). h 2 N h σ Figure 1.22 Anh Dung NGÔ Page 14
