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Université Mohamed Seddik Ben Yahia – Jijel Faculté Science et Technologie Dépa

Université Mohamed Seddik Ben Yahia – Jijel Faculté Science et Technologie Département de génie des procédés 2ere Année Master, génie des procédés des matériaux Thème : Propriété Thermique des Matériaux Composites Préparé par Propose par : •Merrouche Hadjer Pr. Zoubeida Sfaksi •Remmouche Doulfa •Boukedjoutta Imane •Aliouane Manel •Bouraoui Abdelhamid •Ivene Ndlela Dumile Sommaire I. Introduction. II. Matériaux composites. III. Les composants des matériaux composites. 1. La matrice a) Les classes des matrices. 2. Les renforts a) Les fibres naturelles. b) Les fibres synthétiques. IV. Propriétés thermiques des composites 1. La conduction. 2. La conductivité thermique. 3. La diffusivité thermique. 4. La chaleur spécifique. 5. La résistance thermique de contact. V. Intérêt des matériaux composites. VI. Conclusion. I. Introduction • Au cours de ces dernières années, les industries de la transformation des matériaux composites ont bénéficié d'une croissance rapide et régulière, soutenue en particulier par la diversité des applications. • Généralement, les propriétés d’un polymère à l’état vierge sont insuffisantes en termes de rigidité, résistance mécanique, légèreté et stabilité thermique, ou autre propriétés physico- chimique, électrique… • c’est pourquoi on s’oriente de plus en plus vers les matériaux composites, qui occupent aujourd’hui une classe importante parmi les matériaux d’usage massif, à notre vie quotidienne grâce aux leurs avantages tel que la légèreté, la possibilité de recyclage, et la facilité de mise en œuvre. II. C‘est quoi un Matériaux Composite ? • Par définition, tous les alliages ou matières premières nécessitant l’association intime d’au moins deux composants : le renfort et la matrice, représentent une matériaux composite. • L’assemblage final ayant des propriétés supérieures, aux propriétés de chacun des matériaux constitutifs, un matériau composite est constitué d’une ou plusieurs phases, discontinues reparties dans une phase continue III. Les composants des matériaux composites La matrice • En général, le premier rôle de la matrice est de maintenir les renforts dans une forme compacte et de donner la forme voulue au produit final. • Elle sert également à protéger les fibres contre l’abrasion et un environnement agressif, contrôler le fini de surface et assurer le transfert de charges entre les fibres. Les composants des matériaux composites A) Les classes des matrices 1. Composites à matrice polymère ou organique • L'utilisation des composites à organiques connaît un essor rapide. • Unissant légèreté et résistance mécanique exceptionnelle, ces matériaux permettent en effet des applications toujours plus nombreuses dans des industries aussi importantes que l'aéronautique, la construction automobile ou l'équipement sportif ou le biomédical. • Ces matrices peuvent être des polymères thermoplastiques (polypropylène, polyéthylène, polyamide, ...) ou thermodurcissables (polyesters insaturés et résines époxydes). Les composants des matériaux composites a) Matrices à polymères thermoplastiques : • Les thermoplastiques se présentent sous forme de chaînes linéaires, il faut les chauffer pour les mettre en forme et les refroidir pour les fixer. • Cette opération est réversible. Les matrices thermoplastiques ont de faibles propriétés mécaniques ; un renforcement par l’incorporation de charge leur confère une tenue thermique et mécanique améliorée et une bonne stabilité dimensionnelle Les composants des matériaux composites Exemples : Poly-chlorure Vinyle Poly(acetate de vinyle) Les composants des matériaux composites Caractéristiques des résines thermoplastiques Résine Tf(C°) ρ (Kg/m3) E (GPa) Polyamide 65 à 100 1140 1,2 à 2,5 Polypropylène 900 1200 1,1 à 1,4 Les composants des matériaux composites Matrices à polymères thermodurcissables : • Les thermodurcissables durcissent de façon définitive lors de leur synthèse. • La transformation est donc irréversible. Ce sont les matrices les plus utilisées dans la production de matériaux composites. • On trouve les résines polyester qui, associées à des fibres de verre ont une bonne tenue à la température et aux agents chimiques, les résines époxy qui possèdent d’excellentes propriétés mécaniques, thermiques et chimiques, et les résines phénoliques qui résistent bien au feu Les composants des matériaux composites Caractéristiques des résines thermodurcissables : Résine Tf(C°) ρ (Kg/m3) E(GPa) Polyester 60 à 100 1140 2,8 à 3,6 Epoxyde 290 110 à 1500 3 à 5 Les composants des matériaux composites 2. Composite à matrice minérale a) Composites à matrice Céramique (CMC) : • Pour de plus hautes températures d’utilisation (> 800°C), en raison de leur excellente réfractaire, leurs hauts modules d’élasticité, leurs duretés élevées et leurs bonnes inerties chimiques combinés à leurs masses volumiques relativement faibles b) Composites à matrice métallique (CMM) : • Matériaux sont composés d’un renfort métallique ou céramique (fil d’acier, particules de carbure de silicium, de carbone, d’alumine) et d’une matrice métallique (titane, aluminium, zinc, magnésium ...) Les composants des matériaux composites 2. Les renforts • Les fibres sont utilisées pour améliorer les performances mécaniques, thermiques et tribologiques des matériaux. • Elles améliorent la rigidité et la résistance à l’usure. • L’utilisation industrielle de fibres végétales comme renfort de matériaux composites est croissante dans de nombreux secteurs d’activités (automobile, bâtiment…). Les composants des matériaux composites * Les types de renforts Les composants des matériaux composites 1. Les fibres naturelles • Les fibres naturelles sont des substances filamenteuses issues de végétaux et d'animaux, susceptibles d'être filées pour fabriquer des fils et des cordes. Les composants des matériaux composites b. Les fibres minérales : • Elles assurent une bonne tenue mécanique associée à un faible impact sur l’environnement, ainsi qu’une résistance thermique élevée. Les composants des matériaux composites 2. Les fibres synthétiques • Il existe plusieurs types de fibres synthétiques : fibre de verre, fibre de carbone sont les plus répandues, fibre aramide, fibre céramique… IV. Propriétés thermiques des matériaux composites • La chaleur est une représentation thermodynamique du transport d’énergie via une différence de température entre deux substances. • Elle peut être transportée par conduction, convection ou par rayonnement. • Remarque : Dans ce travail seulement le transfert par conduction est pris en compte. Propriétés thermiques des matériaux composites 1. Conduction • Le transfert de chaleur par conduction correspond à un transfert d'énergie interne dû aux interactions entre les particules qui constituent le système thermodynamique (exemple : chocs de molécules dans les gaz, vibrations dans les solides cristallins, etc.). • Il est présent dans tous les corps, quel que soit leur état (solide, liquide ou gaz). Propriétés thermique des matériaux composites • la relation entre la densité de flux de chaleur et le champ de température (loi de Fourier) : ou : T : température (K). k : conductivité thermique (W. m-1. K-1). : vecteur densité de flux thermique (‖ ‖ s'exprime en W. m-2). ..dS • : vecteur normal à la surface S. Propriétés thermiques des matériaux composites 2. La conductivité thermique • En physique la conductivité thermique est la grandeur introduite pour mesurer la capacité d’une substance à conduire la chaleur. • La conductivité thermique (k) est une grandeur physique qui désigne le pouvoir des matériaux à laisser passer la chaleur (ou l’isoler), ou c’est la quantité de la chaleur transférée par unité de surface et par une unité de temps sous un gradient de température (s’exprimer en W.m-1. K-1). • Elle est mesurée par le coefficient λ. • Plus la conductivité (λ) est élevée, plus le matériau laisse passer la chaleur. A l’inverse, plus la conductivité est faible, plus le matériau est isolant. • La conductivité thermique des matériaux composites est une grandeur intrinsèque plus couramment étudiée car elle dépend uniquement de ses constituants et de sa microstructure. • Le λ augmente avec la température et l’humidité contenue dans le matériau. Propriétés thermiques des matériaux composite Propriétés thermiques des matériaux composites 3. La diffusivité thermique •Dans l'analyse du transfert de chaleur, le rapport de la conductivité thermique à la capacité de chaleur, est une propriété importante nommée ‘diffusivité thermique’. •Elle caractérise la capacité qu’a le matériau à diffuser la chaleur. • Ce paramètre intervient directement dans l’équation de transfert de la chaleur, il dépend de trois autres paramètres (la conductivité thermique, la chaleur spécifique Cp et la masse volumique ρ). On le définit par la formule suivante : a = Propriétés thermique des matériaux composite 4. La chaleur spécifique • Considérons un solide de masse m. S’il reçoit une quantité de chaleur dQ, sa température s’élève de dT telle que : dQ= -m.C. dT • Avec dQ en Joule m en kg, en K et C désigne la chaleur massique (ou spécifique) du solide en J. kg- 1.K-1. • Ce paramètre est caractéristique d’un matériau donné. • Il est fonction de la structure moléculaire du matériau et de sa phase (solide, liquide ou gaz). Propriétés thermiques des matériaux composites • 5. La résistance thermique de contact • On utilise la notion de résistance thermique pour décrire les transferts de chaleur entre deux solides en contact mutuel. • En effet, une surface solide possède une rugosité qui peut aller de quelques dixièmes à quelques centaines de microns. • La conséquence est que la surface réelle de contact entre les deux solides ne représente que quelques pourcents de la surface totale. • Or, l'espace disponible entre les points de contact est occupé par un fluide (par exemple de l'air) qui peut avoir une conductivité thermique plus faible que celle des deux solides. Propriétés thermiques des composites *Contact entre les deux uploads/s3/ expose-sfaksi.pdf