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Qu'est-ce qu'un matériau composite? C'est un assemblage d’au moins deux matéria

Qu'est-ce qu'un matériau composite? C'est un assemblage d’au moins deux matériaux non miscibles qui possède des propriétés que les éléments constitutifs seuls n'ont pas. Un matériau composite est constitué : - d'une ossature appelée renfort qui assure la tenue mécanique du matériau composite. Le renfort permet aux matériaux composites d'avoir des propriétés isotropes, anisotropes ou orthotropes. - d'une matrice : matériau constitué de plastique (Thermodurcissable ou Thermoplastique), métal ou céramique. On distingue deux types de matériaux composites : • Les matériaux composites de “grande diffusion” : ces propriétés mécaniques sont plus faibles mais son coût est compatible avec une production en grande série. • Les matériaux composites de “hautes performances" qui présentant des propriétés mécaniques spécifiques élevées et un coût unitaire important. Ce type de matériaux composites est souvent employé en aéronautique et dans le domaine spatial. Il existe aujourd’hui un grand nombre de matériaux composites que l’on classe généralement en trois familles en fonction de la nature de la matrice : – les composites à matrices organiques (CMO) qui constituent, de loin, les volumes les plus importants aujourd’hui à l'échelle industrielle ; – les composites à matrices céramiques (CMC) réservés aux applications de très haute technicité et travaillant à haute température comme le spatial, le nucléaire et le militaire, ainsi que le freinage (freins carbone) ; – les composites à matrices métalliques (CMM). L'avantage principal des matériaux composites est leur aptitude à être conçus à la carte. Ainsi, on peut concevoir des matériaux avec une forte anisotropie. Cet avantage permet de concevoir la pièce en tenant compte des sollicitations mécaniques qu'elle va subir. L'autre avantage des matériaux composites est leur masse volumique très faibles, ils permettent ainsi un allègement des structures en industrie aéronautique et spatiale. Composites : Prévision des caractéristiques PRÉVISION DES CARACTÉRISTIQUES DES MATÉRIAUX COMPOSITES 1 - Contexte technique Les matériaux composites se distinguent par une grande diversité de comportements issue de l’association des fibres et de la résine. La proportion de fibres, le type de renfort, l’orientation, sont autant d’éléments déterminants qui peuvent conduire à des matériaux aux caractéristiques complètement différentes. Il est ainsi possible d’obtenir à un matériau haute performance rigide, au comportement élastique fragile (longeron en pré-imprégné époxy/fibre de carbone) ou bien un matériau souple acceptant de fortes déformations (capotage en composite polyester/mat de fibre de verre). Renfort à base de fibre de Carbone/Aramide/Verre (source Saertex) Les matériaux composites présentent aussi la particularité de l’anisotropie : un comportement différent suivant les directions de sollicitation. Cette propriété physique augmente de manière importante le nombre de paramètres déterminant la rigidité, la résistance, la thermique, etc. (en général, au minimum 3 modules d’élasticité, 3 coefficients de Poisson et 3 modules de cisaillement). Le nombre de combinaisons permettant de former des matériaux composites est quasi infini. Les matériaux composites sont ainsi développés sur-mesure. Ces éléments expliquent pourquoi l’approche de type normalisation, existant pour les matériaux métalliques, a toujours été vaine pour les matériaux composites. Dans la pratique actuelle des bureaux d’études, les caractéristiques mécaniques des composites sont encore bien souvent issues de campagnes d’essais de caractérisation. De nombreux essais de caractérisation longs et coûteux doivent alors être effectués afin de développer des matériaux composites répondant aux cahiers des charges. En outre, dans bien des cas, les essais de caractérisation ne peuvent donner qu’une partie des caractéristiques d’un matériau. En effet, certains essais, comme les essais de compression, sont difficiles à mettre en œuvre et à interpréter. Méca a développé, de manière complémentaire ou alternative aux essais, une approche par prévision des caractéristiques mécaniques des matériaux composites. Différentes pièces en matériaux composites 2 - Etat de l'art dans le domaine de la micro-mécanique 2.1 - Les méthodes de prédiction de caractéristiques mécaniques Le passage de l’échelle microscopique à l’échelle macroscopique figure parmi l’un des plus grands défis de la mécanique, mais également de l’ensemble des disciplines (optique, acoustique, etc.) constituant la physique générale moderne. En effet, les relations liant les agencements atomiques aux propriétés mécaniques macroscopiques d’une structure ne sont pas encore connues. Néanmoins, la connaissance la plus fine possible de la structure d’hétérogénéité d’un matériau permet, au prix de « raccourcis phénoménologiques » et de traitements d’ « homogénéisation », de déterminer un comportement macroscopique homogène, susceptible d’être par la suite intégré dans une formulation classique des milieux continus (GUILLEMINOT, 2008). Arrangements réels des fibres et modèles théoriques Les techniques d’homogénéisation ont été développées pour les matériaux composites. Il s’agit, à partir de la connaissance de la microstructure (fibre et résine seules), de déterminer le comportement du matériau ainsi réalisé. Deux approches cohabitent (JONES, 1998) :  La technique dite de la micromécanique, pour laquelle les relations sont exprimées de manière explicite sous forme de règles ou formules ;  La technique dite du Volume Elémentaire Représentatif (VER*), plus générale et basée sur une simulation numérique, en général, par éléments finis d’un élément représentatif de matière. Les fondements des techniques d’homogénéisation ont été posés d’un point de vue mathématique (NEMAT 1993). La résolution du problème de l’inclusion par Sir Eshelby en 1957 a permis sa formalisation sous forme tensorielle (ESHELBY, 1957). Le « lemme de Hill », les « bornes basses et hautes de Voigt et Reuss » ou plus récemment les « bornes de Hashin et Shtrikman »(BORNET, et al., 2001) permettent d’encadrer les valeurs prédites mais ne les évaluent pas. De plus, la technique du VER* nécessite un nombre élevé de micro-constituants qui soit représentatif, statistiquement, des propriétés continues locales (GUILLEMINOT, 2008), ce qui est très difficile à définir et à obtenir. 2.2 - La prévision des caractéristiques de rigidité des matériaux composites : Les modèles existants pour prévoir les caractéristiques de rigidité des matériaux sont basés en général sur des géométries simples et reproductibles (UD unidirectionnel, la fibre courte et l’inclusion sphérique). 2.2.1 - Cas des fibres longues : Modèle de COX Dans le premier modèle de prévision de la rigidité dans le sens des fibres (KOLLAR, et al., 2003), la fibre et la résine sont définies comme deux ressorts pouvant agir suivant un modèle série ou parallèle. Le transfert des charges s’effectue par cisaillement à l’interface suivant le modèle ShearLag (COX, et al., 1952). Les fibres sont alors dites longues et continues. La prévision au premier ordre des modules d’élasticité des couches de type unidirectionnelles pour les composites structuraux obéit globalement à cette loi (écart de -10% sur le module dans le sens des fibres pour des composites de type aéronautique). Dans le sens transverse aux fibres, des lois semi-empiriques ont été développées par Halpin-Tsai pour permettre d’obtenir une meilleure prévision des modules d’élasticité transverses, de cisaillement et des coefficients de Poisson (HALPIN, 1969). La prédictibilité de ces modèles est faible notamment pour les forts taux de fibres où les modèles surestiment les modules transverses aux fibres dans le sens de l’épaisseur. 2.2.2 - Cas des fibres courtes : Pour les fibres courtes et les charges avec un faible taux de renfort (utilisées notamment en injection plastique), les rigidités peuvent être évaluées à partir du modèle de Mori Tanaka (MORI, et al., 1973). Le modèle de Lielens (DRAY BENSAHKOUM, 2006) permet d’améliorer les prédictions pour les fortes concentrations (typiquement 40% à 60%). Il est également possible d’utiliser des évolutions autour de la méthode d’Eshelby, suivant des hypothèses différentes sur le milieu de référence : schéma dilué, schéma auto-cohérent et le modèle différentiel (Mc LAUGHLIN, 1977). Ce dernier consiste à ajouter successivement une faible fraction volumique de renforts au matériau homogénéisé, jusqu’à obtenir la fraction réelle dans le composite. Les techniques d’homogénéisation par VER connaissent actuellement un nouveau souffle par l’intermédiaire des travaux de Ha (HA et HUANG, 2008). Ces derniers systématisent le calcul par éléments finis sur des VER. Ils incluent un nombre important de fibres couplé à l’approche de Miyano (MIYANO, 2008) sur la prévision des caractéristiques en fluage et température à partir des données mesurées sur la résine seule. L’amélioration de la prédictibilité des modèles nécessite de mieux prendre en compte la réalité physique de l’organisation du renfort et de la matrice par rapport à une idéalisation géométrique et mathématique. Il est ainsi nécessaire d’étudier la prise en compte :  Des porosités ou vides,  Des contraintes liées à la fabrication,  Des désalignements de renforts,  Des micro-défauts (micro-fissurations), etc. Dans le domaine des polymères injectés fibres courtes, des avancées importantes dans l’utilisation de la technique du VER et du modèle de Mori-Tanaka ont été effectuées autour de la suite du logiciel Digimat (DIGIMAT 2011). L’interfaçage avec les logiciels de rhéologie et de calcul a été réalisé. Les premiers retours d’expériences montrent que ces approches donnent des résultats très satisfaisants dans le domaine de la prévision des caractéristiques de rigidités (DRAY BENSAHKOUM, 2006) avec cependant un temps de résolution restant à optimiser. Dans le domaine de la prévision des caractéristiques de rupture, les approches ne sont actuellement que qualitatives et restent à développer. 2.2.3 - Comportement non linéaire : Le comportement non-linéaire des matériaux composites est essentiellement observé en cisaillement dans le plan et en compression transverse. Il est important uploads/s3/ qu-x27-est-ce-qu-x27-materiau-composite.pdf