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Chapitre I Généralités sur les matériaux composites 4 1.1 Définition du matéria

Chapitre I Généralités sur les matériaux composites 4 1.1 Définition du matériau composite Un matériau composite peut être défini d'une manière générale comme l'assemblage de deux ou plusieurs matériaux, l'assemblage final ayant des propriétés supérieures aux propriétés de chacun des matériaux constitutifs, figure (1.1). On appelle maintenant de façon courante "matériaux composites" des arrangements des renforts qui sont noyés dans une matrice dont la résistance mécanique est beaucoup plus faible, entre le renfort et la matrice, existe une zone de liaison appelée interface. Ces matériaux composites sont la plupart du temps hétérogènes et anisotropes [8]. La matrice assure la cohésion et l'orientation des fibres, elle permet également de transmettre les sollicitations auxquelles sont soumises les pièces. Les composites trouvent leurs principales applications dans le transport aérien (civil et militaire), maritime et ferroviaire, le bâtiment, l'aérospatial ainsi que les sports et loisirs. Figure (1.1) : Matériau composite 1.2 Classification des matériaux composites La nature du matériau constituant la matrice permet de répertorier trois grandes classes de composites, considérées ici par ordre croissant de tenue en température : les composites à matrice polymère (CMP), les composites à matrice métallique (CMM) et les composites à matrice céramique (CMC). Il est alors possible d'associer à ces trois types de matrice soit des renforts discontinus, dont toutes les dimensions sont très inférieures aux dimensions de la pièce, soit des renforts continus, dont au moins une dimension est du même ordre de grandeur qu'une dimension de la pièce. Les matériaux utilisés comme renforts présentent de bonnes propriétés mécaniques intrinsèques (carbone, alumine, silice, bore, kevlar. Acier, nitrure et carbure de silicium...). Parmi les renforts discontinus, on trouve des fibres courtes monocristallines d'une longueur comprise entre 20 et 100 micromètres et des particules (billes, plaquettes, éclats...) caractérisées par une taille qui peut varier du micromètre à quelques centaines de micromètres. Les renforts continus ou fibres longues ont quant à eux un diamètre qui varie selon leur nature entre quelques micromètres à plus d'une centaine de micromètres [9]. Chapitre I Généralités sur les matériaux composites 5 Selon l'application envisagée, l’assemblage de ces fibres longues peut être unidimensionnel (plis unidirectionnels). Bidimensionnel (plis tissés, mats à fibres coupées de quelques centimètres ou à fibres continues) ou tridimensionnel (tissus multidimensionnels). La fabrication des composites (CMP) emploie deux types de matrices : les résines thermodurcissables qui représentent 75% des (CMP) actuels (époxyde, polyester, vinylester. Polyuréthane...), et les résines thermoplastiques (polypropylène, polyamide...) qui sont moins utilisées. Les matrices polymères renforcées par des fibres de verre, employées notamment dans les produits de grande diffusion (GD), sont d'une grande importance industrielle. Les fibres de carbone et de kevlar sont utilisées dans une moindre mesure pour des applications hautes performances dans l'aéronautique et l'aérospatiale. D'autres types de renforts sont employés tels que des billes (verre, élastomère ...) et des charges (fibres broyées, écailles, poudres...). L'utilisation des (CMP) reste limitée au domaine de températures inférieures à 200°C. Pour des applications plus haute température, on fait appel aux composite (CMM) jusqu'à 600°C. Les métaux ou alliages métallique utilisés dans la fabrication des (CMM) sont généralement choisis en fonction de leurs propriétés spécifiques dans l'état non renforcé. Ainsi, l'aluminium le titane et le magnésium sont les métaux les plus couramment utilisés. Les (CMM) présentent de bonnes caractéristiques mécaniques spécifiques, une bonne résistance en température et aux chocs thermiques ainsi qu'une bonne résistance à l'usure et à l'abrasion. Toutes ces aptitudes sont mises à profit dans la fabrication de pièces de structure (carters, inserts...) et d'organes fonctionnels (bielles, soupapes...) travaillant à haute température. Enfin, lorsque les températures d'utilisation sont supérieures à 1000°C, on a recours aux composites à matrice céramique. Dans ce type de comporte, le renfort est généralement constitué de fibres longues en carbone, en silice ou en carbure de silicium assemblées par tissage multidimensionnel. Ce renfort poreux est infiltré par la matrice (carbone, silice, carbure de silicium) qui se trouve soit en phase liquide soit en phase gazeuse. La dernière étape d'élaboration consiste à densifier le composite par frittage sous haute pression à haute température. Ces matériaux sont développés essentiellement dans le domaine aérospatial en tant que structure thermique (disques de frein, tuyères, volets, tuiles ablatives...) en raison de leur haute résistance thermomécanique spécifique [9]. 1.3 Avantages et les inconvénients des matériaux composites 1.3.1 Les avantages 1. Gain de masse. 2. Mise en forme de pièces complexes (principe du moulage) et réduction du nombre d'interfaces (boulonnage, rivetage et soudure sur structures métalliques). Chapitre I Généralités sur les matériaux composites 6 3. Grande résistance à la fatigue. 4. Faible vieillissement sous l'action de l'humidité, de la chaleur, de la corrosion (sauf en cas de contact entre de l'aluminium et des fibres de carbone). 5. Insensibles aux produits chimiques comme les graisses, huiles, liquides hydrauliques, peintures, solvants, pétrole [10]. 1.3.2 Les inconvénients 1. Tenue à l'impact moyenne par rapport aux métaux. 2. Meilleure tenue au feu (classement M) que les alliages légers mais émission de fumées (classement F) parfois toxiques pour certaines matrices. 3. Coût parfois prohibitifs (temps et coût études et mise en œuvre), le gain en coût est surtout valable pour des grandes séries. 4. Pas de recyclabilité satisfaisante [10]. 1.4 Les renforts Les renforts assurent les propriétés mécaniques du matériau composite et un grand nombre de fibres sont disponibles sur le marché en fonction des coûts de revient recherchés pour la structure réalisée. Les renforts constitués de fibres se présentent sous les formes suivantes : Linéique (fils, mèches), tissus surfaciques (tissus, mats), multidirectionnelle (tresse, tissus complexes, tissage tri directionnel ou plus) [11]. 1.4.1 Classification des renforts La classification des types de renforts couramment rencontrés est indiquée sur la figure (1.2) : Figure (1.2) : Classification des renforts. 1-Fibre de verre : elles constituent le renfort essentiel des composites (GD). Elle est obtenue à partir de silice (SiO2) et d'additifs (alumine, carbonate de chaux, magnésie, oxyde de bore). On distingue trois types de fibres de verre [11] : Verre E : pour les composites de grande diffusion et les applications courantes. Verre R : pour les composites hautes performances. Verre D : pour la fabrication de circuits imprimés (propriétés diélectriques). Chapitre I Généralités sur les matériaux composites 7 Figure (1.3) : différent type de fibre de verre 2-Fibre de carbone : c'est la fibre la plus utilisées dans les applications hautes performances. Elle est obtenue par carbonisation de la fibre de PAN (Polyactylonitrile), figure (1.4). Selon la température de combustion, on distingue deux types de fibres de carbone [8] : - Fibres haute résistance (HR) : pour une combustion de 1000 à 1500 °C. - Fibres haut module (HM) : pour une température de combustion de 1800 à 2000 °C. Figure (1.4) : Fibre de carbone constituée de plusieurs centaines de filaments [12]. 3-Fibre d'aramide : souvent appelée KEVLAR, la fibre d'aramide est issue de la chimie des polyamides aromatiques à liaisons amides dont les propriétés sont différentes des polyamides aliphatiques. Il est possible de trouver deux types de fibres d'aramide de rigidités différentes [13] : - Les fibres bas module (70 GPa) : utilisées pour les câbles et les gilets pare-balles. - Les fibres haut module (130 GPa) : utilisées pour les composites HP. 4-Fibres céramiques Les matériaux composites de type céramiques sont souvent constitués de renforts et de matrice en céramique. Les fibres sont élaborées par dépôt chimique en phase vapeur sur un fil support. Ces fibres sont rencontrées dans des applications où la température est très élevée entre 500˚C et 2 000˚C. Ces matériaux sont utilisés notamment dans les parties chaudes des moteurs d’avions. Quelques exemples de fibres céramiques : 5-Fibre à base de bore : fibres de haut module et insensibles à l'oxydation à hautes températures, elles sont obtenues par dépôt en phase gazeuse sur un substrat en tungstène [8]. Chapitre I Généralités sur les matériaux composites 8 6-Fibre à base de silice ou de quartz : elles sont produites comme le verre, par fusion, et sont essentiellement utilisées pour leur haute tenue chimique et thermique dans les tuyères pour moteur de fusée [8]. 7-Fibres de polyéthylène de haut module : elles présentent une très bonne résistance à la traction mais une mauvaise mouillabilité. Pour des structures peu sollicitées, on peut encore utiliser des fibres synthétiques courantes de polyamide ou polyester [8]. Un exemple des caractéristiques des renforts sont représentées dans le tableau (1.1). Tableau (1.1) : Caractéristiques moyennes des renforts [8]. Renforts Caractéristiques Verre E Verre R Carbone HM Carbone HR Kevlar Bore Silicate d’alumine Polyéthylène Diamètre du filament (µm) 16 10 6.5 7 12 100 10 / Masse volumique (Kg/m3) 2600 2500 1800 1750 1450 2600 2600 960 Module d’élasticité longitudinal (MPa) 7400 0 8600 0 39000 0 230000 130000 40000 0 200000 10000 0 Module de cisaillement (MPa) 3000 0 / 20000 50000 12000 / / / Coefficient de poisson 0.25 0.2 0.35 0.3 0.4 / / / Coefficient de dilatation thermique (C-1)*105 0.5 0.3 0.08 0.02 -0.2 0.4 / / Contraintes de rupture – Traction (MPa) 2500 3200 2500 3200 2900 3400 3000 3000 Allongement à rupture(%) 3.5 4 0.6 1.3 uploads/Ingenierie_Lourd/ chap1-recovered 1 .pdf