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5 Copyright P. Vannucci – UVSQ paolo.vannucci@meca.uvsq.fr Chapitre 1 Général

5 Copyright P. Vannucci – UVSQ paolo.vannucci@meca.uvsq.fr Chapitre 1 Généralités sur les matériaux composites Qu'est-ce que c'est un matériau composite 6 Produits de base et semi-produits 13 Technologies de production 20 Quelques exemples d'applications 28 Généralités sur la mécanique des composites 39 Bibliographie essentielle 48 6 Copyright P. Vannucci – UVSQ paolo.vannucci@meca.uvsq.fr Qu'est-ce que c'est un matériau composite Qu'est-ce que c'est un matériau composite? Par définition, il est un matériau composé par l'union d'au moins deux constituants (les phases), généralement distingués matrice; fibres; additifs ou charges. Les caractéristiques mécaniques essentielles des composites sont l'hétérogénéité et, mais pas toujours, l'anisotropie. Même si considérés comme des matériaux modernes, les composites sont en réalités utilisés depuis très longtemps et ils ont été le résultat des idées nées pour la nécessité de résoudre des problèmes divers; des exemples typiques sont les briques en argile et torchis, les arcs palintonos et les balistes en bois et tendons d'animaux, les katanes japonaises, mais aussi les alliages comme le bronze. A la page suivante, des exemples, classiques et non, de matériaux composites. 7 Copyright P. Vannucci – UVSQ paolo.vannucci@meca.uvsq.fr Qu'est-ce que c'est un matériau composite Alliages Composites à matrice métallique Composites à matrice minérale Composites à matrice organique Classe Applications Composantes Exemple diverses C, Fe, Mn, Cr, Al, Cu, Sn etc. aciers Alliages d’Al cuivres aérospatial Al/fibres de B Al/fibres de C génie civil aérospatial, aviation, sport, biomécanique composantes thermomécaniques ciment, sable, additifs C, fibres de C céramiques et fibres céramiques béton composites C-C composites céramiques emballages etc. transports structures légères diverses cellulose caoutchouc, acier résines organiques, fibres de verre, carbone, bore etc. résines, fibres courtes carton pneus stratifiés plastiques renforcées 8 Copyright P. Vannucci – UVSQ paolo.vannucci@meca.uvsq.fr Qu'est-ce que c'est un matériau composite Le concept clé des composites est l'union de deux ou plus matériaux, qui seuls n'ont pas des bonnes qualités mais qui, une fois unis, ont d'excellentes propriétés: l'union fait la force. En outre, les fibres de renfort ont des propriétés mécaniques nettement meilleures, en termes de rigidité et de résistance, du même matériau en forme massive, parce que la diminution des dimensions caractéristiques implique une amélioration des prestations mécaniques due, d'un côté au fait que la fibre a, par le procédé de fabrication, une structure plus parfaite du matériau massif et de l'autre à la diminution de la probabilité de trouver des défauts importants dans des corps de petites dimensions. Le développement des composites modernes est essentiellement dû à la nécessité de satisfaire les exigences de plus en plus poussées de l'industrie, surtout dans les secteurs: aérospatial et aéronautique; défense; sport; biomécanique. 9 Copyright P. Vannucci – UVSQ paolo.vannucci@meca.uvsq.fr Qu'est-ce que c'est un matériau composite Types de matériaux composites: généralement, les composites sont employés sous forme de corps bidimensionnels, plaques ou coques, et en ce qui concerne leur comportement mécanique et l'usage structurel, peuvent être distingués en composites à fibres courtes: les fibres sont dispersées aléatoirement dans une matrice isotrope; le comportement mécanique macroscopique est isotrope; composites à fibre longues: les fibres sont disposées de façon ordonnée et orientée dans une matrice isotrope; le comportement mécanique macroscopique est globalement anisotrope. Ces matériaux sont normalement assemblés pour constituer des macro-matériaux composites, qui sont essentiellement de deux types: stratifiés: obtenus par empilement de couches en composite orientées de façon différente; le comportement mécanique macroscopique doit être conçu; sandwich: panneaux utilisés pour des usages en flexion; généralement le comportement macroscopique est isotrope dans le plan. 10 Copyright P. Vannucci – UVSQ paolo.vannucci@meca.uvsq.fr Qu'est-ce que c'est un matériau composite Principaux constituants des composites à matrice organique: ils sont deux, la matrice et les fibres. A leur tour, celles-ci sont essentiellement des types suivants: Matrice: résines époxydiques; résines polyuréthanes; résines polyamides; résine phénoliques. Fibres: verre; carbone; kevlar; bore; béryllium. Un usage de plus en plus répandu, lié à la protection de l'environnement, est celui des fibres d'origine végétale (chanvre etc.). 11 Copyright P. Vannucci – UVSQ paolo.vannucci@meca.uvsq.fr Qu'est-ce que c'est un matériau composite Principaux avantages des matériaux composites: légèreté; résistance; rigidité; bonne résistance à la fatigue; possibilité de concevoir le matériau selon le besoin (pour les sandwiches et les stratifiés); réduction des coûts de fabrication; réduction du poids et du coût des jonctions. Le défaut principal, surtout pour le matériaux à fibres longues, est le coût et, d'un point de vue mécanique, le comportement à la rupture, qui est généralement fragile. Le paramètres synthétiques d'évaluation des performances mécaniques d'un composite sont les rapports E/ρ et σlim/ρ. Dans le tableau suivant on montre des valeurs typiques. 12 Copyright P. Vannucci – UVSQ paolo.vannucci@meca.uvsq.fr Qu'est-ce que c'est un matériau composite Materiau ρ E σu E/ρ (A) σu/ρ (B) ρ/ρ ac E/Eac σu/σu ac A/Aac B/Bac kg/m3 MPa MPa MN m/kg kN m/kg Acier 7850 210000 360 26,75 45,86 1 1 0,171 1 0,171 Acier haute résist. 7850 210000 2100 26,75 267,52 1 1 1 1 1 Alliages d'Al 2700 70000 620 25,93 229,63 0,34 0,33 0,295 0,97 5,01 Bois 500 30000 15 60,00 30,00 0,06 0,14 0,007 2,24 0,65 Verre 2500 70000 2100 28,00 840,00 0,32 0,33 1,000 1,05 18,32 Tungstène 19300 350000 4100 18,13 212,44 2,46 1,67 1,952 0,68 4,63 Béryllium 1830 300000 700 163,93 382,51 0,23 1,43 0,333 6,13 8,34 Tytane 4610 115000 1900 24,95 412,15 0,59 0,55 0,905 0,93 8,99 Verre E 2540 72400 3500 28,50 1377,95 0,32 0,34 1,667 1,07 30,05 Verre S 2480 85500 4600 34,48 1854,84 0,32 0,41 2,190 1,29 40,45 Carbone 1380 190000 1700 137,68 1231,88 0,18 0,90 0,810 5,15 26,86 Carbone HM 1900 390000 2100 205,26 1105,26 0,24 1,86 1,000 7,67 24,10 Carbone HR 1850 240000 3500 129,73 1891,89 0,24 1,14 1,667 4,85 41,25 Kevlar 1500 130000 2800 86,67 1866,67 0,19 0,62 1,333 3,24 40,70 Bore 2630 385000 2800 146,39 1064,64 0,34 1,83 1,333 5,47 23,22 Beryllium 1830 300000 1700 163,93 928,96 0,23 1,43 0,810 6,13 20,26 Polyèsteres 1200 3000 80 2,50 66,67 0,15 0,01 0,038 0,09 1,45 Phénolyques 1200 3000 40 2,50 33,33 0,15 0,01 0,019 0,09 0,73 Epoxydiques 1500 5000 80 3,33 53,33 0,19 0,02 0,038 0,12 1,16 Polyamides 1140 2500 85 2,19 74,56 0,15 0,01 0,040 0,08 1,63 Matrices Forme massive Fibres 13 Copyright P. Vannucci – UVSQ paolo.vannucci@meca.uvsq.fr Produits de base et semi-produits L'industrie produit toute une série de produits de base et de semi- produits avec qui, ensuite, ont assemble les produit finaux. Produits de base: fibres; mats; tissus; couches pre-imprégnées (pre-pregs) Le semi-produits (qui sont parfois, surtout dans les application les plus poussées, le produit final) sont essentiellement: stratifiés; sandwiches. Voyons-les rapidement. 14 Copyright P. Vannucci – UVSQ paolo.vannucci@meca.uvsq.fr Produits de base et semi-produits Fibres: ce sont le constituant de base du renfort des composites; elles sont produites en bobines, comme un fil quelconque, et la plupart des fois sont en verre ou en carbone. verre carbone 15 Copyright P. Vannucci – UVSQ paolo.vannucci@meca.uvsq.fr Produits de base et semi-produits Tissus: souvent, les renforts sont fournis sous forme de tissus; les principaux types de tissus sont: Il existe aussi des tissus multidirectionnels, pour usages spéciaux (surtout pour des champs de contrainte tridimensionnelle). Stitched Braided 3D 16 Copyright P. Vannucci – UVSQ paolo.vannucci@meca.uvsq.fr Produits de base et semi-produits Mats: ce sont des couches de fibres non tissées, disposées de façon aléatoire, qui sont produits soit secs soit déjà imprégnés de résine. Le comportement mécanique est isotrope. Les mats sont utilisés lorsqu'il faut d'un côté légèreté et isotropie, de l'autre des caractéristiques mécaniques non exceptionnelles (les mats n'ont ni une résistance ni une rigidité importante). Leurs avantages sont surtout la facilité de mise en œuvre, l'adaptabilité aux formes les plus variées et leur coût, plus faible par rapport aux panneaux à fibres longues orientées. Couches pre-impregnées (pre-pregs): ce sont des semi-produits composés de fibres et résine à polymériser (de différentes façons). Les fibres peuvent être disposées dans une seule direction ou tissues; le comportement est toujours anisotrope. 17 Copyright P. Vannucci – UVSQ paolo.vannucci@meca.uvsq.fr Produits de base et semi-produits L'usage des pre-pregs est réservé à la fabrication des stratifiés ou des couches extérieures des panneaux sandwich. Les avantages sont multiples: d'abord, les excellentes performances mécaniques, ensuite la bonne réponse au processus de fabrication. En fait, c'est d'abord avec les pre-pregs qu'on obtient les meilleurs résultats en termes d'absence de défauts de fabrication; pour ces raisons, ils sont utilisés pour la fabrication de stratifiés pour les applications de pointe (aviation, espace, sport etc.). Considérons maintenant les due semi-produits, les stratifiés et les panneaux sandwich. 18 Copyright P. Vannucci – UVSQ paolo.vannucci@meca.uvsq.fr Produits de base et semi-produits Stratifiés: ils sont obtenus par empilement de couches, généralement à renfort unidirectionnel ou tissu, disposées selon différentes orientations. Généralement, l'assemblage des couches se fait par polymérisation de l'ensemble, parfois par collage (par exemple dans la technologie du bois ). Dans le premier cas, donc, la subdivision en couches du produit final uploads/Industriel/ mat-comp-ch1.pdf