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Matériaux composites JAZIRI.M LES MATERIAUX COMPOSITES A MATRICE ORGANIQUE MATE

Matériaux composites JAZIRI.M LES MATERIAUX COMPOSITES A MATRICE ORGANIQUE MATERIAUX DE SYNTHESE ELASTOMERES MATIERE PLASTIQUE Association avec d'autres matériaux COMPLEXES COMPOSITES Au sens propre: Tous les plastiques chargés ou renforcés sont des composites. L'usage: on ne retient dans le groupe des composites que les produits comportant des éléments filamentaires qui jouent le rôle de renfort, à l'exemple du fer dans le béton armé. Association en couches, de films ou feuilles de plastiques différents ou d'autres matériaux (aluminium, papier …). Intérêt: cumuler les caractéristiques positives de chacune des couches. L'utilisation essentielle des complexes concerne l'emballage. Charge: produit –tel que le calcaire- qui, mélangé à une matière plastique, apporte à celle-ci une propriété spécifique et permet entre autres d'obtenir un abaissement du prix de revient. Renfort: est le plus souvent un élément filamentaire qui, intégré à une matière plastique, lui confère une meilleure résistance mécanique. Les termes de composites, plastiques armés, plastiques renforcés sont synonymes. Les composites se rattachent dans leur quasi-totalité à la famille des plastiques, puisque l'on associe un renfort à une matrice polymérique (thermoplastique ou thermodurcissable). Les structures sandwichs s'apparentent par leur géométrie à des complexes épais, mais elles sont en fait constituées par des éléments en matériaux composites. Les composites, au sens large, existent depuis plusieurs dizaines d'années, comme le montrent les exemples du tableau 1. Toutefois, la nouveauté porte sur la concurrence qu'ils manifestent vis-à-vis des métaux (tableau 2). 1 Matériaux composites JAZIRI.M Fig.1- Filiation indiquant la place des composites dans les matériaux de synthèse. Tableau 1. Exemples de produits réalisés en matériau de type composite Matériaux composites au sens large Fonction Habitat Ameublement Habillement Emballage Manutention Transport Thermoplastiques Chargé Revêtement de sol Non tissés Complexes Papier, alu Gros bac Garnissage auto Renforc é palette Petites pièces de structure Thermodurcissables Chargé Panneau de particules pièces électriques (statiques) Renforc é Plaque de couverture Lamifié Citerne Eléments de carrosserie 2 Matériaux de synthèse Plastiques Elastomères Hétérogène Homogène Composite Complexe Sandwich (Cas particulier) Matériaux composites JAZIRI.M Matériaux « composites » à base plastique Substitution Efforts encaissés Plastiques + porogènes (allégés) Plastiques + charges TP + renforts (fibres courtes) TD + renforts (fibres longues) Bois Alliages légers Aciers Statiques Dynamiques Tableau 2: Les matériaux composites concurrencent les matériaux traditionnels et en particulier les métaux. Ainsi, le renforcement des plastiques par des fibres vise: - le marché des métaux légers, s'il s'agit de polymères thermoplastiques (TP); - le marché des aciers, lorsque l'on emploi des résines thermodurcissables (TD). 3 Matériaux composites JAZIRI.M NOTIONS DE BASE Définitions: Pour qu'un matériau puisse être qualifié de composite, il doit répondre aux deux critères suivants: - être constitué d'au moins deux matériaux non miscibles; - les constituants doivent être mélangés dans les deux ou trois directions. Dans une structure composite on distingue: - la matrice plastique qui lie entre elle les fibres du renfort et répartit les efforts; elle participe également à la compression, flexion et assure la protection chimique en protégeant la structure contre les agents physico-chimiques. Elle donne de plus la forme du produit réalisé. C'est –par définition- un polymère ou une résine organique. - le renfort qui constitue l'armature, ou le squelette, assurant la tenue mécanique (résistance à la traction et rigidité). Il est –par définition- de nature filamentaire (fibre minérale ou organique). - l'interface qui permet la cohésion du matériau et assure la compatibilité entre le renfort-matrice, en transmettant les contraintes de l'un vers l'autre, sans déplacement relatif (bonne adhérence en couche fine; de l'ordre de μm), sinon la matrice, dont les propriétés sont généralement inférieures à celles du renfort, pourrait entraîner la fracturation de l'ensemble du matériau. C'est la raison pour la quelle les renfort subissent un traitement (dit ensimage, pour le verre) qui les rend aptes à établir de solides liaisons avec la matrice dans laquelle ils sont noyés. (la présence d'un grand nombre de micropores à la surface d'une fibre est un facteur important qui favorise l'adhésion de celle-ci avec la matrice). - des charges, apportant des propriétés particulières ou complémentaires (tenue à la chaleur, répartition des efforts), ou encore permettant un abaissement du prix de revient. Contrairement aux renforts, les charges ne sont pas filamentaires, elles se présentent sous forme de particules. - les additifs spécifiques: catalyseur, accélérateur de polymérisation… On obtient, dans tous les cas, un matériau anisotrope résultant de la juxtaposition des deux phases principales (renfort et résine) hétérogènes et différentes. On parle de système composite car on réalise en une même fois le matériau et produit (d'où un concept nouveau). Il faut donc construire la structure à la demande; le résultat étant un système qui inclut: - la nature, la texture et la forme du renfort, - le taux de renforcement, - la nature de la matrice, des charges et additifs, - la qualité de l'interface renfort-matrice, - la géométrie de la pièce à réaliser, - le procédé de mise en œuvre utilisé. Le but recherché est donc d'orienter au mieux les renforts en fonction des efforts ou contraintes auxquelles la structure est soumise, (càd déplacer seulement le coût aux niveaux 4 Matériaux composites JAZIRI.M les plus sollicités et non partout ailleurs). On réalise une anisotropie contrôlée (propriétés"sur mesure"). Composite de grande diffusion et composites de hautes performances Composites dits de grande diffusion (GD), les plus courants, essentiellement ceux provenant du couple fibre de verre E/résine polyester ou verre E/ technopolymères, avec des taux de renforts voisins de 30% (en masse). Ils représentent actuellement les plus gros volume d'utilisation avec un bon compromis performance/coût voisin des métaux. Composites dits de hautes performances (HP), issus surtout des associations de fibres longues de verre R, carbone, ou aramide avec des résines époxydes, et des taux élevés de renfort, supérieure à 50 %. Les propriétés mécaniques (en particulier la résistance et le module spécifiques"R/d et E/d") sont nettement supérieures à celles des matériaux conventionnels, aux dépens, toutefois, d'un coût très élevé (comme pour les structures aéronautiques et spatiales). Constituants Composites de grande diffusion Composites de hautes performances Renfort Verre E (fibre longue ou courte) Verre R Aramide Carbone (fibre continue) Bore Résine Polyester Phénolique (et thermoplastiques) Epoxyde Polyimide Tableau 3: Typologie de base des composites. Filière technologique L'élaboration des composites a pour point de départ la chimie, tant pour la préparation des fibres renforts que pour celles des matrices / polymères. La première transformation du tissage des renforts et de la transformation des résines constitue une étape importante dans la construction du composite. La transformation finale, qui permet de réaliser la structure composite, comporte elle même une dizaine de procédés conduisant à des formes et des caractéristiques différentes. 5 Matériaux composites JAZIRI.M Fig. 2- Filière d’élaboration des composites. Chimie Minérale Organique Renfort Matrice Tissage Formulation Procédés de transformation Structures bi et tridimensionnelle Profils Corps de révolution Plaques planes Utilisations Contact Projection Drapage Compression Injection- transfert Autoclave Stratification en continu Pultrusion Centrifugation Enroulement ou bobinage ou ou 6 Matériaux composites JAZIRI.M LES RENFORTS Un renfort apporte à la matière uniquement une contribution dans l'amélioration de ses caractéristiques mécaniques face à des contraintes dynamiques. Pour cela, on utilise des renforts sous forme filamentaire allant de la particule allongée à la fibre continue. La fibre renfort, qui peut comporter plusieurs milliers de filaments, apporte donc toujours la tenue mécanique de la structure composite (la matrice apportant la forme et la tenue chimique). On caractérise la fibre renfort par son titre (tex) qui correspond au poids en gramme d'un kilomètre de fil. En général, dans une structure composite (anisotrope), les fibres travaillent bien en traction mais, en comparaison avec les structures métalliques (isotropes), les performances en compression sont moins bonnes et la résistance au cisaillement demeure faible. En fonction des propriétés recherchées, on distingue trois grands types de renforcement: Fig. 3- Principales architectures de renforts. 7 Matériaux composites JAZIRI.M Fig. 4- Influence du taux et de la structure du renfort. Fig. 5- Influence du taux de renfort de verre sur la contrainte de traction d'un composite; Résistance recherchée Type de renfort Unidirectionnelle (A) Fils parallèles sans torsion, dit « roving » ou stratifil Nappe de fils Multidirectionnelle Aléatoire (B) Direction privilégiée (C) Fils coupés Feutres de fils coupés agglomérés dit « mat » Tissu bidimensionnel (toile, satin…) tridimensionnel Tableau 4: principales géométries de renforts. Dans un composite, le renfort représente, suivant le procédé de mise en œuvre un taux massique compris entre 20 et 80 %. 8 Matériaux composites JAZIRI.M ANALYSE DES DIFFERENTS TYPES DE RENFORCEMENT LE VERRE La fibre de verre constitue le renfort essentiel des composites GD et fait l'objet d'une consommation très importante. • Base: on la réalise à partir de la silice (SiO2), dont les ressources sont abondantes (pas de problème d'approvisionnement), et par mélanges d'additifs on produit trois types de verre utilisables dans les composites. Types de verre Principaux constituants (%) E D R Silice (SiO2) 53-54 73-74 60 Alumine (Al2O3) 14-15 25 Chaux (CaO) 20-24 0,5-0,6 9 Magnésie (MgO) 20-24 0,5-0,6 6 Oxyde de bore (B2O3) 6-9 22-23 6 • Obtention: on procède par coulée de verre en fusion (1 250°C) au travers de filières en uploads/Ingenierie_Lourd/ cours-jaziri-composite.pdf