Chapitre 0 - Cours Matériaux Composites

Généralités

Il existe différentes familles de matériaux : les métaux , les plastiques, les composites,etc.. Les composites seront traité dans ce cours. Le principal intérêt de l'utilisation des composites provient de ses excellentes caractéristiques spécifiques (module divisé par la masse volumique). Leur faible taux d'utilisation vient de son coût encore. Parmi les composites, on distingue deux types : les composites grande diffusion (GD) et les composites haute performance (HP).

Les GD représentent 95% des composites utilisés. Ce sont en général des plastiques armés ou des plastiques renforcés, le taux de renfort avoisinant 30%. Dans 90% des cas, l'anisotropie n'existe pas ou n'est pas maîtrisée car les renforts sont des fibres courtes. Les principaux constituants de bases sont les résines polyesters (95% des résines thermodurcissables) avec des fibres de verre (+ de 99% des renforts utilisés !). Renforts et matrices sont à des coûts voisins.

Les HP, principalement utilisés dans l'aéronautique sont d'un coût élevé. Les renforts sont plutôt des fibres longues. Le taux de renfort est supérieur à 50%, et ce sont les renforts qui influent sur le coût. Les propriétés mécaniques (résistance mécanique et rigidité) sont largement supérieur à celles des métaux, contrairement aux GD. Des méthodes de calculs de structures et d'homogénéisations ont été développés pour les HP. Ces calculs feront l'objet de divers chapitres de ce cours.

Il faudra toujours tenir compte du fait que l'élaboration de la structure est liée à celle du matériau, que pour les pièces travaillantes, on utilisera plutôt des composites à fibres longues et à matrice organique et pour les garnitures, capotages on utilisera des plastiques renforcés.

Définitions de base :

• Homogène : même propriétés en tout point du matériau.
• Hétérogène : en 2 points différents, propriétés différentes.
• Isotrope : même propriétés dans toutes les directions.
• Isotrope transverse : il existe un axe de symétrie. Symétrie par rapport à une droite.
• Orthotrope : propriétés symétriques par rapport à deux plans orthogonaux.
• Anisotrope : les propriétés sont différentes selon les différentes directions.

Notions de bases :

Matériau composite : association d'au moins deux matériaux non miscibles. On obtient un matériau hétérogène.

Les composants

Matériau composite plastique : association de deux constituants .

Le renfort : armature, squelette, il assure la tenue mécanique (résistance à la traction et rigidité). Souvent de nature filamentaire (des fibres organiques ou inorganiques).

La matrice : lie les fibres renforts, répartie les efforts (résistance à la compression ou à la flexion), assure la protection chimique. Par définition, c'est un polymère ou une résine organique.

En plus de ces deux constituants de base, il faut rajouter : une interface qui assure la compatibilité renfort-matrice, qui transmet les contraintes de l'un à l 'autre sans déplacement relatif. Bonne adhérence en couche fine (μ). Des produits chimiques entrent aussi dans la composition du composite, l'interphase etc. ... qui peuvent jouer sur le comportement mécanique, mais n'interviennent pratiquement jamais dans le calcul de structure composite.

Remarque : on conçoit un composite en fonction du type d'application, de chargement ...ce qui est différent des matériaux classiques où on adapte la conception d'une structure en fonction du matériau constitutif.

Pour les composites, on construit sa structure à la demande :

• la nature, la texture et la forme du renfort
• le taux de renforcement
• la nature de la résine et des charges ou additifs
• la qualité de l'interface renfort-matrice
• la géométrie de la pièce à réaliser
• le procédé de mise en œuvre utilisé

On cherchera toujours à orienter au mieux les renforts en fonction des efforts auxquels la structure est soumise.

Avantage des matériaux composites :

• grande résistance à la fatigue
• faible vieillissement sous l'action de l'humidité, de la chaleur, de la corrosion (sauf alu-carbone)
• insensibles aux produits chimiques "mécaniques " comme les graisses, huiles, liquides hydrauliques, peintures, solvants, pétrole

Attention aux décapants de peinture qui attaquent les résines époxydes !

Les composites sont très anciens : bois (composite naturel), torchis, béton (agrégats et pâte de ciment), béton armé, bois contre-plaqué (sandwichs), lamifiés décoratifs par exemple.

1. Associations fibres-matrices : la liaison entre fibre-matrice est créée pendant la phase d'élaboration : influence fondamentale sur les propriétés mécaniques du composite.
2. Les différents types des constituants de base :

Les renforts

Les fibres

• constituées par plusieurs centaines/milliers de filaments de diamètres variant de 5 à 15 μm.
• Traitement sur machines textiles (mèches).

Forme de renforts

inclure une photo de filaments décomposés en fil de base et en mèche puis en demi-produits comme la verranne, les rovings ou stratifil (mèches de fils sans torsion, direct, assemblé, bouclé, ensimés), la silionne (fils de 102 à 408 filaments ensimés), les fils coupés (de base, textiles, texturés, coupés, broyés, de 3 à 5 mm de long, ensimés), qui sont tous des fibres de tissage. Mise en œuvre par compression et cuisson (polymérisation). Facilité d'utilisation, qualité du produit fini (homogène), robotisation possible. Les particules, billes pleines ou creuses, les fibrilles, les écailles, les whiskers.

Les renforts sous forme de semi-produit : les mats (feutres de "silionnes " ou de fils continus coupés, 25 à 50 mm agglomérés par un liant), les feutres, les rubans, les tissus à armature taffetas, sergé, satin, unidirectionnelle, bidirectionnelle, les gaines, les tresses, les préformé (roving+liant projetés et durcis par étuvage sur une forme, pour les grandes séries).

Remarque : L'ensimage permet de

• coller les filaments ->file
• lubrifier les fils
• diminuer attaque de l'eau
• éliminer les charges électrostatiques
• améliorer l'adhérence sur les résines (mouillage+adhésion)

Fibres thermostables à bas modules :

• utilisables jusqu'à 250°C en continu, ininflammables, ne fondent pas, carbonisent vers 400°C.
• bas module (de 6000 à 16000MPa).
• isolants thermiques, électriques, cônes de rentrée des véhicules spatiaux, boucliers thermiques des missiles, vêtements militaires antithermiques.

Trichites (whiskers)

• monocristaux de 1 à 50 μm de diamètre et de 1 à 5 cm de longueur.
• AleO3, SiO2, ZrO2, MgO, TiO2, BeO, SiC, ...
• Prix élevé.
• Comportement élastique fragile.
• Résistance bien plus grande que beaucoup de polycristallins.

• Problèmes aux niveaux : manipulation, compatibilité chimique, mouillage.

Autres fibres

• économie
• isolation thermique
• conductibilité thermique et électrique
• origine végétale : sisal, jute, lin, ...
• amiante : chrysotile , crocidolite, ...
• polyester : Tergal, dracon, Térylène, ...
• métalliques : cuivre, aluminium, inox, ...

Fabrication 
exemple de la fibre de verre.

1. Composition (mélange des oxydes)
2. Fusion (1500°C)
3. Fibrage (1200°C) : four filière de diamètre de 1 à 2 mm
4. Etirage : diamètre de 3 à 20 μm
5. Ensimage (protection , amélioration de l'adhésion fibre-matrice)
6. Bobinage
7. Tissage

Principaux matériaux de renfort :

Les matrices

Les différentes familles de matrice

Critères essentiels des matrices TD et TP

Définitions :

Résine thermodurcissable : polymère transformée en un produit essentiellement infusible et insoluble après traitement thermique (chaleur, radiation) ou physico-chimique (catalyse, durcisseur).

Résine thermoplastique : polymère pouvant être alternativement ramollie par chauffage et durci par refroidissement dans un intervalle de température spécifique du polymère étudié. Les résines thermoplastiques présentent l'aptitude à l'état ramolli, de se mouler aisément par plasticité.

Résine thermostable : polymère présentant des caractéristiques mécaniques stables sous des pressions et des températures élevées (>200°C) appliquées de façon continue. Cette propriété est mesurée en déterminant la température que peut supporter la résine durant 2000h sans perdre la moitié de ses caractéristiques mécaniques.

Elastomère thermoplastique : polymère fortement élastique.

Avec
• ρ (kg/m3) : Masse volumique
• E (MPa) : Module d'Young
• ν : Coefficient de Poisson
• R (MPa) : Limite élastique en traction
• α (μm/m°C) : Dilatation thermique

Les matériaux composites structuraux

Monocouches

Les monocouches représentent l'élément de base de la structure composite. Les différents types de monocouches sont caractérisés par la forme du renfort : à fibres longues (unidirectionnelles UD, réparties aléatoirement), à fibres tissées, à fibres courtes.

Stratifiés

Un stratifié est constitué d'un empilement de monocouches ayant chacun une orientation propre par rapport à un référentiel commun aux couches et désigné comme le référentiel du stratifié.

Le choix de l'empilement et plus particulièrement des orientations permettra d'avoir des propriétés mécaniques spécifiques.

Notation " composite " : Un stratifié possédant l'empilement (0, +45, +90, -45)2s est un stratifié avec 4 couches dans les directions 0°, -45°, 90° et +45°, l'orientation 0° coïncidant avec la direction 1 du repère principal du composite. Ces plans seront réparties symétriquement par rapport au plan moyen du stratifié.

On pourra avoir des stratifiés de type :

1. Equilibré : stratifié comportant autant de couches orientée suivant la direction +θ que de couches orientée suivant la direction -&theta.
2. Symétrique : stratifié comportant des couches disposées symétriquement par rapport à un plan moyen.
3. Orthogonal : stratifié comportant autant de couches à 0° que de couches à 90°.

Sandwichs

Matériaux composés de deux semelles (ou peaux) de grande rigidité et de faible épaisseur enveloppant une âme (ou cœur) de forte épaisseur et faible résistance. L'ensemble forme une structure d'une grande légèreté. Le matériau sandwich possède une grande légèreté en flexion et c'est un excellent isolant thermique.

Nadia Bahlouli, ULP - IPST - IMFS