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CHAPITRE III MATÉRIAUX NON MÉTALLIQUE Un non-métal est un élément chimique dont

CHAPITRE III MATÉRIAUX NON MÉTALLIQUE Un non-métal est un élément chimique dont les atomes du corps simple sont unis par des liaisons covalentes ou des liaisons intermoléculaires, et non par des liaisons métalliques III.1 LES POLYMÈRE Les matériaux polymères sont généralement utilisés pour leurs propriétés mécaniques particulières et leur aptitude à être mis en œuvre. Ces qualités sont étroitement liées à leur structure et il est possible, à partir d’une structure moléculaire donnée, d’imaginer la morphologie qui en découle et les propriétés qui s’y rattachent. Les matières polymères comme la cellulose, la soie et le caoutchouc étaient formées de longues chaînes moléculaires, qualifiées de macromolécules. Cette idée a ouvert la voie à une recherche plus systématique, tant chimique que physique, sur la synthèse, la structure et le comportement des polymères solides. Figure III.1 modèle schématique de la synthèse d’un polymère. III.1.2 Familles des polymères Les propriétés thermiques décrivent le comportement du matériau vis-à-vis de la chaleur. On peut classer les polymères en deux types, en fonction de leur réaction à la chaleur : les thermodurcissables et les thermoplastiques. Les thermoplastiques fondent lorsqu'on les chauffe, Les thermodurcissables durcissent quand on les chauffe. III.1.3 Comportement mécanique Le succès des polymères provient en partie de la facilité avec laquelle on peut leur donner des formes voulues (d'autant plus à l'état fondu). Ils sont très malléables, très plastiques, d'où leur nom. En fait, cette plasticité varie dans une large gamme, des plus rigides, durs et cassants, aux plus mous (pâtes) ou élastiques (élastomères). Les propriétés mécaniques décrivent leur comportement vis à vis à des sollicitations mécaniques telles que pressions, étirements, torsions, frottements, chocs et sous l'effet de la pesanteur. III.1.4 Mise en forme et dégradation Les procédés de transformation des matières plastiques sont essentiellement thermomécaniques. Ils comportent trois étapes ❖ La fusion, c’est-à-dire le passage de l’état de solide, en poudre ou en granulés, à un état fondu, suffisamment homogène et fluide. Ce terme de fusion recouvre plusieurs phénomènes physiques différents, suivant que le polymère est semi-cristallin ou amorphe ❖ La mise en forme à l’état fondu, par écoulement sous pression à travers une filière ou dans un moule ; ❖ La conformation et le refroidissement, avec éventuellement des opérations d’étirage, biétirage, soufflage… Les propriétés de l’objet fabriqué dépendent, bien entendu, du polymère choisi, mais également du chemin thermomécanique qu’il a suivi pour déboucher sur cet objet. DÉGRADATION Malgré sa composition riche en matériaux, la matière plastique est éphémère. -SUR LE LONG TERME Les matières plastiques sont contraintes à une dégradation de façon progressive, tout au long de leur vieillissement. Leur dégradation est visible lors de l'apparition de fissures ou d'un changement de couleur. Cette dégradation est lente, mais elle est souvent irréversible. -RÉSISTE PEU À LA CHALEUR Les liaisons moléculaires, qu’assure la cohésion des matières plastiques, se brisent facilement quand la température augmente. À basse température, les chaînes se déplacent peu : elles sont enchevêtrées, et les forces intermoléculaires participent à la cohésion du système. III.2 MATÉRIAUX CÉRAMIQUE Les céramiques sont des matériaux inorganiques, non métalliques, nécessitant de hautes températures lors de leur fabrication. Il s'agit en général d'oxydes métalliques, et plus généralement de métaux oxydés, mais pas uniquement. Les céramiques ont en général une structure cristalline, parfois associée à une phase amorphe. Lorsque la majorité est amorphe, on parle de vitrocéramique ; lorsque la totalité est amorphe, on parle du verre. On peut classer les céramiques selon leur application, selon leur mode d'élaboration et la forme finale et selon leur composition chimique. Tableau III.2 Principales céramiques et applications Céramiques Exemples d’applications Céramiques de grande diffusion Céramiques hydratées, roches, céramiques cuites. Ciment, plâtre, bétons. Bâtiment. Roches. Granite, marbre, calcaires. Bâtiment. Céramiques cuites. Briques, poteries, porcelaines. Bâtiment, isolation électrique, habitat. Céramiques dispersées Fibres de renfort Fibre de verre. Fibre de carbone. Renfort dans les composites polymères. Particules de renfort Alumine, carbone de silicium, magnésies Renfort dans les composites polymères et métalliques, ignifugeants. Particules abrasifs Alumine, carbone de silicium, carbures de tungstène, diamant. Polissage, outils de coupe. Céramiques techniques massifs Alumine Nitrure de silicium Zircone Pièces de fours à haute température. Application envisagées dans les moteurs. Verres Verre de silice Fenêtres. Équipement de la cuisine. III.2.3 Mise en forme La matière premières est obtenue par des argiles résiduelles (Produit de l’altération des roches initialement formées) ou sédimentaires (Transportées par l’eau et peuvent contenir du calcaire, de sable, etc) La fabrication des céramiques d’une manière générale part d'une poudre. Les céramiques sont élaborées selon l’ordre montré dans la figure III.8 ci-dessous. Figure III.8 Mise en forme des céramiques Chamottage : opération de calcination du mélange des additifs. III.3 Matériaux composites Un matériau composite est défini comme étant un assemblage d’au moins deux constituants non miscibles, mais ayant une forte capacité d’adaptation. Les qualités respectives des constituants associés se complètent pour former un matériau aux performances mécaniques, thermiques, électriques et/ou physico-chimiques améliorées. Le matériau composite est constitué d’un renfort, qui contribue aux propriétés mécaniques de la pièce, et d’un liant, appelé matrice. Le rôle de la matrice est d’assurer la cohésion entre les éléments du renfort, mais aussi de transférer les flux d’efforts entre les plis, de garantir la tenue à l’environnement (corrosion, vieillissement humide) et la tenue en température. Il existe aujourd’hui un grand nombre de matériaux composites qui peuvent être classés suivant différents critères. La nature de la matrice est un de ces critères qui permet de répartir les composites en trois grandes familles : les Composites à Matrices Organiques (CMO), telles que les polymères organiques (résine thermodurcissable ou thermoplastique) ; Les Composites à Matrices Céramiques (CMC) réservés aux applications à haute température ; Les Composites à Matrice Métallique (CMM). Ces matériaux peuvent aussi être classés selon la nature du renfort Principaux matériaux de renfort : Renfort Organique Inorganique Céramiques Métalliques Carbone graphite (Fibres de carbone, Noir de carbone) Cellulose (bois, papier, coton, lin, jute…) Polyamides Polyesters Aramides (kevlar) Carbures Nitrures Argile Carbonate de calcium (CaCO3) Oxydes métalliques Silice (fibres de verres) Les différentes familles de matrice polymère : MATRICE Organique Thermodurcissables Thermoplastiques Élastomères -Les différentes structures des matériaux composites : 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 ou réparties aléatoirement), à fibres tissées, à fibres courtes. Figure III.9 Composite monocouche unidirectionnelle. Fibres longes Résine Stratifiés : un stratifié est constitué d'un empilement de monocouches. Le choix du nombre de couches et de l’orientation des couches les unes par rapport aux autres permet d’obtenir des propriétés mécaniques spécifiques. Fig. III.3 : Constituants d'un matériau composite stratifié Sandwichs : matériaux composés de deux peaux (ou semelles) de faible épaisseur et de grande rigidité autour d’un cœur (ou âme) de forte épaisseur et de faible résistance. L'ensemble forme une structure " sandwich " d'une grande légèreté, très résistante en flexion, et bon isolant thermique. Figure III.9 Panneau composite à structure sandwich utilisé pour des tests à la NASA III.3.3 Procédés de mise en forme - Technologie à jet : c'est un jet en pression de résine et fibres courtes prémélangées -Technologie sous vide : la polymérisation de fait dans un moule sous vide, avec vacuum bag, qui permet de comprimer l'objet à la pression atmosphérique. -Technologie RTM (Resin Transfer Moulding ): le renfort est placé à sec dans le moule ; ensuite, on procède à l'injection de résine en pression, parfois avec moule sous vide. La polymérisation peut se faire à froid ou à chaud, avec ou sans catalyseur. Cette technologie est la plus employée dans la production de grande série de pièces à faible qualités structurales. Parfois, on fait l'injection de la résine non en pression mais sous vide. Technologie RFI (Resin Film Infusion): la résine est pré-appliquée à un état semi-solide, sur une couche de support, et le moule est placé sous vide. Ensuite, la résine est faite fondre d'abord et polymériser ensuite par l'apport de chaleur. -Technologie des pré-imprégnés (prepregs): cette technologie est la plus utilisée pour fabriquer des stratifiés plans ou même, en autoclave, avec une certaine courbure. Le stratifié est préparé à froid, par empilement de différentes couches de pré-imprégné. Un pré-imprégné (en anglais : prepreg) est un produit semi-fini constitué d'une résine (aussi appelée matrice) thermodurcissable ou d'un polymère thermoplastique imprégnant un renfort (exemples : mat, tissu, stratifié). Le stratifié est ensuite placé en autoclave ou dans des presses chauffantes, pour polymériser sous pression et à chaud (environ 180°C). Cette technologie, très chère, permet d'obtenir des composantes mécaniques prisées et de bonne qualité de production, en limitant au minimum les défauts de fabrication. Technologie de pultrusion : elle est employée industriellement pour la production de grande série et en continu de profilés (les mêmes des séries en acier). La polymérisation se fait à chaud et rapidement. - Technologie FW (Filament Winding): c'est une technologie industrielle pour la fabrication de pièces à symétrie cylindrique ou quand même avec une section convexe. La fibre est pré-imprégnée de résine et ensuite enroulée de façon régulière et programmée sur un mandrin de la uploads/s3/ chapitre-3 4 .pdf