Sciences des Matériaux- les Composites ISET-Nabeul

MATERIAUX COMPOSITES

1. Définition

Comme l'indique le terme, MC, évoque un matériau différent des matériaux macroscopiquement homogènes habituels.

Un matériau composite est constitué de l'assemblage de deux matériaux de natures différentes, se complétant et permettant d'aboutir à un matériau dont les performances sont supérieures à celles des composants pris séparément.

2. Le système composite A l'opposé des matériaux traditionnels, le composite, de par ses propriétés, doit s'adapter aux exigences de conception, alors que la conception découle des propriétés des matériaux employés dans la pratique traditionnelle. Acier - Bois - etc...On réalise, en quelque sorte, en une même fois le matériau et le produit, d'où un concept nouveau.

En effet, tandis que pour les plastiques, lesquels possèdent des caractéristiques isotropes, on réalise le dessin de la pièce à fabriquer avec, une approche assez voisine de celle que l'on utilise pour les métaux, à l'inverse, pour les composites, il faut 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 résine et des charges ou additifs, • La qualité de l'interface renfort-matrice,

• La géométrie de la pièce à réaliser,

• Le procédé de mise en oeuvre utilisé.

Pour fabriquer des pièces en composites, une quinzaine de technologies de mise en oeuvre sont aujourd'hui disponibles. De quoi répondre à toutes les exigences en termes de formes et de cadences.

De nombreux procédés peuvent être utilisés : contact, projection, moulage sous vide, moulage basse pression, etc...

Pour les structures creuses, deux principales techniques sont utilisées : le moulage par centrifugation et l'enroulement filamentaire.

En fonction de la forme des renforts, les composites sont classés en deux grandes classes :

ESSID Mohamed Habib 1

Sciences des Matériaux- les Composites ISET-Nabeul

· les composites à fibres : constitués de fibres continues ou discontinues

(fibres coupées ou courtes). Leur orientation permet de moduler les propriétés mécaniques du matériau et d'obtenir des matériaux isotropes ou anisotropes .

· les composites à particules : les particules sont généralement utilisées pour améliorer certaines propriétés des matériaux.

3. Jargon du compositeur Un matériau composite résulte de l'association intime d'au moins deux matériaux non miscibles, dont les qualités se combinent avec synergie. En outre, il est constitué d'une ou plusieurs phases discontinues réparties dans une phase continue. La phase discontinue, appelée renfort ou matériau renforçant, est habituellement plus dure avec des propriétés mécaniques supérieures à celles de la phase continue, appelée matrice.

Le renfort : Il constitue l'armature, ou le squelette, assurant la tenue mécanique (résistance à la traction et rigidité). Il est par définition de nature filamentaire. Ex : La fibre de Verre - Le Carbone - Le Kevlar. (Fibre Minérale ou Organique), La matrice : Elle lie les fibres renforts, répartit les efforts et assure une protection chimique, en donnant de plus la forme du produit à réaliser. C'est par définition un polymère ou une résine. Ex : Le polyester - L'Epoxy, * Les matrices peuvent être de trois formes :

ESSID Mohamed Habib 2

Sciences des Matériaux- les Composites ISET-Nabeul

· matrice polymère (résines) : polyesters, silicone, polyuréthane, ... . · matrice minérale : carbure de silicium , carbone · matrice métallique : alliage d'aluminium, de titane, ...

L'interface : Assure la compatibilité renforts-matrice, en transmettant les contraintes de l'un a l'autre, sans déplacement relatif. (bonne adherence en couche fine : de l'ordre du micron),

La charge : Apportant des propriétés particulières ou complémentaires, ou encore permettant un abaissement du prix de revient. Contrairement aux renforts, les charges ne sont pas filamentaires mais sous forme de particules. Ex : micro ballon,

Additifs spécifiques : Catalyseurs, accélérateurs de polymérisation, etc

4. Propriétés du matériau composite Autres propriétés intéressantes des composites, ils ne se plastifient pas. Leur limite élastique correspond à la limite de rupture. Ceci est très important pour les zones des pièces composites sujettes aux concentrations de contraintes (Trous -Entailles...)

Les M-C sont très résistants à la fatigue et à la chaleur. Ils ont une meilleure tenue au feu que les alliages légers pour une épaisseur identique. Par-contre les fumées émises lors de la combustion de certaines matrices s'avèrent toxiques.

Un petit reproche, les M-C vieillissent sous l'action de l'humidité et de la chaleur. Mais ils ne se corrodent pas sauf cas particulier de : Aluminium - Fibre de Carbone, il se produit un phénomène galvanique entraînant des corrosions rapides.

Cependant, ils ont tout de même leurs faiblesses, les résines époxydes ne supportent pas les décapants de peinture, en revanche, graisses, huiles, liquides hydrauliques, peintures, pétrole et Solvants sont des produits compatibles sans réel souci. Les M-C ont une tenue aux impacts et aux chocs moyenne, inférieure à celle des Matériaux métalliques.

En résumé, Les principales caractéristiques des pièces fabriquées en matériaux composites sont :

· le gain de masse, · la bonne tenue en fatigue (durée de vie augmentée), · l'absence de corrosion, · l'absence de plasticité (leur limite élastique correspond à la limite de rupture), · le vieillissement sous l'action de l'humidité et de la chaleur, · l'insensibilités à certains produits chimiques (solvants, peinture, huiles), · tenue aux impacts et aux chocs très moyenne, · très forte anisotropie .

Le module d'Young E d'un matériau composite se calcule de la manière suivante :

ESSID Mohamed Habib 3

Sciences des Matériaux- les Composites ISET-Nabeul

* Si la contrainte est appliquée parallèlement aux fibres alors le module d'young du matériau s'exprime de la manière suivante :

E = Er *fv + Em *(1-fv)

* Si la contrainte est appliquée perpendiculairement aux fibres alors le module d'young du matériau s'exprime de la manière suivante :

1/E = fv /Er + (1-fv)/Em E : module d'Young du matériau composite Er : module d'Young du renfort Em : module d'Young de la matrice fv : fraction volumique de renforts

En général, les matériaux composites ont un module d'Young intermédiaire entre ces deux limites.

5. Exemple Dans le domaine de l'aviation commerciale, on peut placer en parallèle : d'une part les préoccupations majeures des constructeurs, de l'autre les principales propriétés caractéristiques des pièces en matériaux composites.

• Souci des avionneurs :

• Performance,

• Economie.

• Caractéristiques des pièces :

• Gain de masse : économie de carburant - augmentation de la charge,

• Bonne tenue en fatigue : durée de vie augmentée - économie,

• Absence de corrosion : allègement des inspections lors de maintenance,

L'exemple de l'avion de transport régional ATR 72 Aérospatiale FR et Aéritalia ITA : Masse totale en charge 20 tonnes, Pourcentage M-C Supérieur à 25% de la masse de la structure,

Remarque : les matériaux composites sont surtout utilisés pour des applications où une haute performance est recherchée et où le prix n'est pas le facteur primordial.

ESSID Mohamed Habib 4