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-Semestre : 3 Unité d’enseignement : UEF 2.1.1 Matière1 : Matériaux composites

-Semestre : 3 Unité d’enseignement : UEF 2.1.1 Matière1 : Matériaux composites VHS : 45h00 (Cours : 1h30, 1h30 TD) Crédits : 4 Coefficient : 2 Objectifs de l’enseignement: Obtenir des connaissances de base sur les matériaux composites. Acquérir les notions fondamentales pour élaborer des composites et aborder par la suite tous les problèmes de dimensionnement des structures stratifiés ou sandwichs. Connaissances préalables recommandées : Chimie organique, Matériaux de construction, Résistance des matériaux, Mécanique des milieux continus Contenu de la matière : 1-Généralités Historique, définition, classification et emplois des composites 2-Composition des composites Renforts ou fibres de renforcement Matrices (résines) Adjuvants Stratifiés (multicouches) 3-Technologie de fabrication des composites 4-Propriétés des composites Propriétés élastiques, Propriétés de rupture et Propriétés chimiques 5-Comportement des composites aux actions intérieures et extérieures Mode d’évaluation : Contrôle continu : 40% ; Examen :60%. Références bibliographiques : (Si possible) : J. M. Berthelot "Matériaux composites" Ed. Lavoisier, 2005. N. Bahlouli " Les matériaux composites" http://www-ipst.u-strasbg.fr/nadia/courcomp/comp1.htm J. Molimard "mécanique des matériaux composites" version 2, Septembre 2004. D. Guy "Matériaux composites" Page 1 MATÉRIAUX COMPOSITES Contenu 1. Généralités...............................................................................................................................................4 1.1. Définition......................................................................................................................................4 1.2. Caractéristiques générales............................................................................................................4 1.3. Classification des matériaux composites......................................................................................6 1.3.1. Classification suivant la forme des constituants...............................................................6 1.3.2. Classification suivant la nature des constituants...............................................................7 1.4. Pourquoi des matériaux composites ?..........................................................................................9 1.5. Caractéristiques mécaniques spécifiques.....................................................................................9 1.6. Caractéristiques mécaniques des matériaux..............................................................................11 1.7. Les matériaux composites..........................................................................................................12 2. Composition des composites..................................................................................................................13 2.1. Généralités.................................................................................................................................13 2.2. Les composants..........................................................................................................................13 2.3. Les renforts.................................................................................................................................15 2.3.1. Les fibres.........................................................................................................................15 2.3.2. Forme de renfort :...........................................................................................................15 2.3.3. Exemples de fabrication..................................................................................................17 2.4. Les matrices................................................................................................................................20 2.4.1. Les différentes familles de matrice.................................................................................20 2.5. Les matériaux composites structuraux.......................................................................................22 2.5.1. Monocouches.................................................................................................................22 2.5.2. Stratifiés..........................................................................................................................22 2.5.3. Sandwichs.......................................................................................................................29 3. Technologie de fabrication des composites...........................................................................................32 3.1. INTRODUCTION...........................................................................................................................32 3.2. MISE EN OEUVRE DES MATÉRIAUX COMPOSITES.......................................................................32 3.2.1. Moulages sans pression..................................................................................................32 3.2.2. Moulage sous vide..........................................................................................................34 3.2.3. Moulage par compression..............................................................................................34 3.2.4. Moulage en continu........................................................................................................37 3.2.5. Moulage par pultrusion..................................................................................................38 3.2.6. Moulage par centrifugation............................................................................................39 3.2.7. Moulage par enroulement filamentaire..........................................................................39 3.3. Utilisation de demi-produits.......................................................................................................43 3.3.1. Introduction....................................................................................................................43 3.3.2. Préimprégnés..................................................................................................................43 3.3.3. Les compounds de moulage............................................................................................46 4. Propriétés des composites.....................................................................................................................50 4.1. Propriétés physiques..................................................................................................................50 4.1.1. L’état amorphe,...............................................................................................................50 4.1.2. L’état amorphe orienté...................................................................................................50 4.1.3. L’état cristallin.................................................................................................................50 4.1.4. L’état semi cristallin........................................................................................................50 4.1.5. Les thermoplastiques......................................................................................................50 4.1.6. Les polymères réticulés...................................................................................................53 4.2. Propriétés mécaniques...............................................................................................................54 4.2.1. La Température...............................................................................................................56 4.2.2. La cristallinité..................................................................................................................56 4.2.3. La masse molaire............................................................................................................56 Page 2 4.3. Propriétés optiques....................................................................................................................56 4.3.1. Effet de l’eau sur les polymères......................................................................................57 4.3.2. Actions chimiques de l’eau.............................................................................................57 4.3.3. Actions physiques de l’eau..............................................................................................57 4.3.4. La polymérisation............................................................................................................57 4.3.5. Interprétation de la courbe.............................................................................................58 4.3.6. Définitions de base..........................................................................................................59 5. Comportement des composites aux actions intérieures et extérieures.................................................60 Page 3 1. Généralités 1.1. Définition Dans un sens large, le mot « composite » signifie (constitué de deux ou plusieurs parties différentes). En fait, l'appellation matériau composite ou composite est utilisée dans un sens beaucoup plus restrictif, qui sera précisé tout au long de ce chapitre. Nous en donnons pour l'instant la définition générale suivante. Un matériau composite est constitué de l'assemblage de deux matériaux de natures différentes, se complétant et permettant d'aboutir à un matériau dont l'ensemble des performances est supérieur à celui des composants pris séparément. Des exemples de matériaux composites pris au sens large sont donnés au Tableau 1.1. Tableau 1.1 : Exemples de matériaux composites, pris au sens large. Type de composite Constituants Domaines d'application 1. Composites à matrice organique Papier, carton Panneaux de particules Panneaux de fibres Toiles enduites Matériaux d'étanchéité Pneumatiques Stratifiés Plastiques renforcés Résine/charges/fibres cellulosiques Résine/copeaux de bois Résine/fibres de bois Résines souples/tissus Elastomères/bitume/textiles Caoutchouc/toile/acier Résine/charges/fibres de verre, de carbone, etc. Résines/microsphères Imprimerie, emballage, etc. Menuiserie Bâtiment Sports, bâtiment Toiture, terrasse, etc. Automobile Domaines multiples 2. Composites à matrice minérale Béton Composite carbone-carbone Composite céramique Ciment/sable/granulats Carbone/fibres de carbone Céramique/fibres céramiques Génie civil Aviation, espace, sports, bio-médecine, etc. Pièces thermo-mécaniques 3. Composites à matrice métallique Aluminium/fibres de bore Aluminium/fibres de carbone Espace 4. Sandwiches Peaux Ames Métaux, stratifiés, etc. Mousses, nids d'abeilles, balsa, plastiques renforcés, etc. Domaines multiples 1.2. Caractéristiques générales Un matériau composite consiste dans le cas le plus général d'une ou plusieursphases discontinues réparties dans une phase continue. Dans le cas de plusieursphases discontinues de natures différentes, le composite est dit hybride. La phasediscontinue est habituellement plus dure avec des propriétés mécaniques supérieuresà celles de la phase continue. La phase continue est appelée la matrice. Laphase discontinue est appelée le renfort oumatériau renforçant(figure 1.1). Page 4 Figure 1.1. Matériau composite. Uneexception importante à la description précédente est le cas de polymères modifiéspar des élastomères, pour lesquels une matrice polymère rigide est chargée avecdes particules élastomères. Pour ce type de matériau, les caractéristiques statiquesdu polymère (module d'Young, contrainte à la rupture, etc.) ne sont pratiquementpas modifiées par l'adjonction de particules élastomères, alors que les caractéristiquesau choc sont améliorées. Les propriétés des matériaux composites résultent : des propriétés des matériaux constituants, de leur distribution géométrique, de leurs interactions, etc. Ainsi, pour accéder à la description d'un matériau composite, il sera nécessaire de spécifier : — la nature des constituants et leurs propriétés, — la géométrie du renfort, sa distribution, — la nature de l'interface matrice-renfort. La géométrie du renfort sera caractérisée par : sa forme, sa taille, la concentration du renfort, sa disposition (son orientation), etc. Si l'ensemble de ces paramètres concourt à déterminer les propriétés du composite, les modélisations descriptives ne tiendront compte que de certains paramètres, du fait de la complexité des phénomènes mis en jeu. Par exemple, la forme du renfort sera schématiquement approchée soit par des sphères, soit par des cylindres. La concentration du renfort est habituellement mesurée par la fraction volumique (fraction en volume) ou par la fraction massique (fraction en masse). La concentration du renfort est un paramètre déterminant des propriétés du matériau composite. Pour une concentration donnée, la distribution du renfort dans le volume ducomposite est également un paramètre important. Une distribution uniforme assureraune “homogénéité” du matériau : les propriétés du composite seront indépendantesdu point de mesure. Dans le cas d'une distribution non uniforme durenfort, la rupture du matériau sera initiée dans les zones pauvres en renfort,diminuant ainsi la résistance du composite. Page 5 Dans le cas de matériaux composites dont le renfort est constitué de fibres,l'orientation des fibres détermine l'anisotropie du matériau composite. Cet aspectconstitue une descaractéristiques fondamentales des composites : la possibilité decontrôler l'anisotropie du produit fini par une conception et une fabricationadaptées aux propriétés souhaitées. 1.3. Classification des matériaux composites Les composites peuvent être classés suivant la forme des composants ou suivant la nature des composants. 1.3.1. Classification suivant la forme des constituants En fonction de la forme des constituants, les composites sont classés en deuxgrandes classes : les matériaux composites à particules et les matériaux compositesà fibres. 1.3.1.1.Composites à fibres Un matériau composite est un composite à fibres si le renfort se trouve sousforme de fibres. Les fibres utilisées se présentent soit sous forme de fibrescontinues, soit sous forme de fibres discontinues : fibres coupées, fibres courtes,…etc. L'arrangement des fibres, leur orientation permettent de moduler à la carte lespropriétés mécaniques des matériaux composites, pour obtenir des matériauxallant de matériaux fortement anisotropes à des matériaux isotropes dans un plan. Le concepteur possède donc là un type de matériau dont il peut modifier etmoduler à volonté les comportements mécanique et physique en jouant sur : — la nature des constituants, — la proportion des constituants, — l'orientation des fibres, Suivant le cahier des charges imposées. L'importance des matériaux composites à fibres justifie une étude exhaustivede leurs comportements mécaniques. 1.3.1.2.Composites à particules Un matériau composite est un composite à particules lorsque le renfort setrouve sous forme de particules. Une particule, par opposition aux fibres, nepossède pas de dimension privilégiée. Les particules sont généralement utilisées pour améliorer certaines propriétésdes matériaux ou des matrices, comme la rigidité, la tenue à la température, larésistance à l'abrasion, la diminution du retrait, etc. Dans de nombreux cas, lesparticules sont simplement utilisées comme charges pour réduire le coût dumatériau, sans en diminuer les caractéristiques. Le choix de l'association matrice-particules dépend des propriétés souhaitées. Page 6 Par exemple, des inclusions de plomb dans des alliages de cuivre augmenterontleur facilité d'usinage. Des particules de métaux fragiles tels le tungstène et lechrome, incorporé dans des métaux ductiles, augmenterontleurs propriétés à températures élevées, tout en conservant le caractère ductile àtempérature ambiante. Les cermets sont également des exemples de composites métal-céramique àparticules, adaptés à des utilisations à températures élevées. Par exemple, lescermets à base d'oxydes sont utilisés pour les outils de coupe à vitesse élevée, etpour les protections à hautes températures. Figure 1.2. Le carbure de tungstène est un composé inorganique. Également, des particules d'élastomère peuvent être incorporées dans desmatrices polymères fragiles, de manière à améliorer leurs propriétés à la rupture etau choc, par diminution de la sensibilité à la fissuration. Ainsi, les composites à particules recouvrent un domaine étendu dont le développements'accroît sans cesse. 1.3.2. Classification suivant la nature des constituants Selon la nature de la matrice, les matériaux composites sont classés suivant descomposites à matrice organique, à matrice métallique ou à matrice minérale. Divers renforts sont associés à ces matrices. Seuls certains couples d'associations ont actuellement un usage industriel, d'autres faisant l'objet d'un développementdans les laboratoires de recherche. Parmi ces composites, nous pouvons citer : 1. uploads/s3/ cours-composites.pdf