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CHAPITRE 2 Matériaux Composites 2.1 Introduction L’utilisation des matériaux co

CHAPITRE 2 Matériaux Composites 2.1 Introduction L’utilisation des matériaux composites dans les applications industrielles tend à augmenter depuis plusieurs années, et cela dans toutes les industries : automobile, aéronautique, spatiale, marine, ferroviaire ou encore sportive, médicale et nucléaire. Les performances en termes de gain massique, de propriétés mécaniques et de fabrication offrent de nombreuses possibilités d’applications, parfois très complexes. Les activités de recherche propres a ces matériaux sont également très présentes dans les laboratoires du monde entier pour permettre de mieux comprendre le comportement des structures composites a travers de nombreux thèmes d’études [14]. 2.2 Composition les matériaux composites Un composite est un matériau hétérogène, formé d'au moins deux constituants qui occupent des phases différentes. Ces constituants sont disposés selon une organisation géométrique, qui confère au composite des propriétés supérieures à celles des constituants pris séparément. Le terme « propriétés supérieures » englobe deux notions distinctes. Premièrement, les composites sont généralement conçus de sorte à combiner judicieusement les propriétés de leurs constituants ; par exemple, un vêtement imperméable constitué d'une doublure isolante (destinée à protéger du froid) recouverte d'une matière étanche (destinée à protéger de l'eau) est, du fait de cette disposition, à la fois étanche et isolant. Deuxièmement, l'organisation géométrique des composites peut parfois faire émerger, au niveau global, des propriétés que leurs constituants n'ont pas. Par exemple, certains composites à base de céramiques sont ductiles, alors que les céramiques elles-mêmes sont fragiles ; cela est dû à leur structure spatiale, qui gêne la propagation des fissures [15]. 13 Chapitre 2 : Matériaux Composites Figure 2.1. Composition d’un matériau composite [16]. 2.3 Les matrice La matrice a généralement pour rôle mécanique de fournir une certaine cohésion entre les différents éléments de renfort et ainsi joue le rôle de « ciment » en assurant un minimum d’homogénéité à l’ensemble. Dans la majorité des matériaux composites, les propriétés mécaniques sont essentiellement fournies par les renforts, de telle sorte que le taux de renfort dans la matrice ainsi que la qualité de l’interface renfort / matrice conditionnent directement les propriétés mécaniques du matériau composite. Les matrices assurent la liaison entre les renforts et répartissent les efforts (résistance à la compression ou à la flexion), en plus de protection chimique. Les résines utilisées comme matrice sont les résines thermodurcissables (TD) et les thermoplastiques (TP). Le tableau 2.1 présente une comparaison entre les deux types de matrices [17]. Tableau 2.1. Principales différences entre matrices TP et TD [17]. 14 Chapitre 2 : Matériaux Composites 2.4 Les renforts Les renforts dans un composite ont pour rôle de donner au matériau ses caractéristiques mécaniques finales. Les renforts peuvent se trouver utilisés sous différentes formes, comme par exemple en fibres longues, en fibres courtes, en sphères et même en tissu de fibres plus ou moins complexe (tissage 2D, voire même 3D), Ils constituent l’armature et assurent la tenue mécanique (résistance à la traction et rigidité).Ils dépendent de l'application projetée. Les principales fibres employées comme renfort aujourd’hui sont les fibres de verre pour les applications à coûts réduits, ainsi que fibres de carbone et aramide pour les applications plus exigeantes. Les principaux matériaux de renforts sont décrits dans la figure 2.2 Figure 2.2. Différentes familles du renfort [18]. a) Nature des renforts Les différents renforts sont a) Les fibres de verre Elles sont fabriquées à partir de silice et d’additifs. Selon les applications auxquelles elles sont destinées, les fibres de verre sont constituées de trois types : 15 Chapitre 2 : Matériaux Composites  fibres E pour les composites de grande diffusion (GD) ;  fibres D pour les applications dans la construction électrique (circuits imprimés)  fibres R pour les composites de haute performance (HP). Les fibres de verre sont utilisées dans plus de 95% des composites, et plus principalement pour les produits GD. Elles assurent : a) Mat de verre b) Fibre de verre en tissu c) Fibre de verre prépeint d) Tissu en fibre de verre unidirectionnel. Figure 2.3. Les fibres de verres [19]. b) Les fibres de carbone Les fibres de carbone ont de très fortes propriétés mécaniques et sont élaborées à partir d’un polymère de base, appelé précurseur. Actuellement, les fibres précurseur utilisées sont des fibres acryliques élaborées à partir du polyacrylinitrique (PAN). La qualité des fibres de carbone finales dépend fortement des qualités du précurseur. Le principe d’élaboration est de faire subir aux fibres acryliques une décomposition thermique sans fusion des fibres aboutissant à une graphitassions [20]. Les fibres de carbone ont : 16 Chapitre 2 : Matériaux Composites Excellentes propriétés mécaniques ; Très bonne tenue en température ; Dilatation thermique nulle ; Bonne usinabilité ; Bonnes conductibilités thermique et électrique ; Excellente résistance à l'humidité ; Tenue aux chocs faible ; Prix relativement élevé. Figure 2.4. Les fibres carbones. c) Les fibres aramides Les fibres aramides ont des propriétés mécaniques élevées en traction comme les carbones mais leurs résistances à la compression est faible. La faible tenue mécanique en compression est généralement attribuée à une mauvaise adhérence des fibres à la matrice dans le matériau composite [20]. 17 Chapitre 2 : Matériaux Composites Figure 2.5. Les fibres aramides. Les fibres aramides ont : Résistance à la rupture en traction très bonne ; Dilatation thermique nulle ; Excellente absorption des vibrations ; Très bonne résistance aux chocs à la fatigue ; Faible masse volumique ; Sensibilité aux ultraviolets ; Usinabilité délicate ; Prix élevé. d) Les fibres de polyéthylène haute ténacité Les composites à fibres de polyéthylène se limitent aux applications militaires (balistiques et blindage). Leur champ d’application est limité à cause :  mauvaise résistance à la température (fluage dès 90°C ; l’aramide ne se dégrade qu’à 400°C) ;  mauvaise adhérence entre les fibres et la matrice. Les renforts fibreux : Ces sont les plus répandus dans les applications industrielles surtout le secteur des transports (automobiles, aéronautiques, navires…) et encore les articles du sport (skis, 18 Chapitre 2 : Matériaux Composites planches…) grâce à une bonne résistance offerte au matériau, liée à un faible poids. Dans ce qui suit on doit détailler particulièrement les fibres [21,23]: 1-Architectures des fibres. Ensembles linéaires: type et caractéristique. Ensembles surfaciques. Ensembles multidirectionnels. structurales de renfort Mèche, fils Tissu, mat tresses, Tissage 3D Figure 2.6. Architecture des fibres. - Ensembles linéaires: Fil de base: est obtenu par juxtaposition des fibres (parallèles ou retordues), il constitue l’élément de construction des stratifils et des retors. Fils retors: Ensemble des fils retordus Stratifils: ensemble des fils de base parallèles groupés sans torsion Fils coupés : à voir leurs applications dans les semi-produits SMC 19 Chapitre 2 : Matériaux Composites Figure2.7. Fibres linéaires [21,23]. a) Ensembles surfaciques Trois Ensembles principaux: les mats, les tissus, les tricots. les mats : sont des nappes des filaments discontinus sans orientation préférentielle maintenus ensemble par un liant soluble ou non dans les résines (Matrice). Ils sont largement utilisés dans des différentes applications (boites électriques, navires….). Figure 2.8. Fibres surfaciques type mats. 20 Chapitre 2 : Matériaux Composites Les tissus : ils sont fabriqués par entrecroisement des fils (mèches) dans deux directions perpendiculaires (chaine et trame). Selon la mode de tissage il existe plusieurs architectures (taftas, satin, sergé…) Figure 2.9. Fibres surfaciques type tissus. Un autre type de tissu, les hauts modules (ou NCF) où les mèches ne présentent aucune ondulation et elles sont maintenues ensembles par un fil de cousus. Figure 2.10. Fibres surfaciques type tissus hauts modules. Les tricots: sont formés par bouclage d’un ou plusieurs fils et ils sont caractérisés par leur très grande déformabilité. 21 Chapitre 2 : Matériaux Composites Figure 2.11. Fibres surfaciques type tricots. Ensembles multidirectionnels  Tresses: tissage cylindrique avec des entrecroisements réguliers des fils. (Fabrication des pales d’avions).  Tissage 3D : Consiste à orienter les mèches dans des plusieurs axes non coplanaires. Autres types de tissage : 2.5 D, triaxial Figure 2.12. Fibres multidirectionnels [21, 22,23]. 2.5 Les avantages est les inconvénients les matériaux Biosourcés [24,25, 25, 27,28] a) Avantages  matériaux isolants isoler vous évite en effet bien des désagréments : humidité, froid, chaleur, dépenses importantes de chauffage  très résistant à l’écrasement et au feu  caractère renouvelable de la matière première recyclable et biodégradable en fin de vie-des matériaux qui pourraient s'avérer tres utiles pour la préservation de l’environnement ;  des matériaux meilleurs, tant pour l'environnement que pour la sante. 22 Chapitre 2 : Matériaux Composites  ils subissent un processus de fabrication et de mise en œuvre ; ces matériaux ont des caractéristiques intéressantes et des marges de progrès prometteuses ; les matériaux biosources répondent a un besoin réel de « retour au naturel » et de « durabilité », a la fois sur le plan environnemental, de la sante mais aussi économique ; le produit a atteint la maturité technologique. l’association construction & bioressources qui aide au développement de la filière assure que les produits vont se démocratiser rapidement et a des prix concurrentiels ; la filière des matériaux biosources une des 18 filières vertes ayant un potentiel de développement économique élève pour l’avenir,  son rôle pour diminuer uploads/s3/ 9chapitre-2-composite.pdf