Cours Jaziri Composite

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Matriaux composites JAZIRI.M

LES MATERIAUX COMPOSITES A MATRICE ORGANIQUE

MATERIAUX DE SYNTHESE

ELASTOMERES

MATIERE PLASTIQUE Association avec d'autres matriaux

COMPLEXES Association en couches, de films ou feuilles de plastiques diffrents ou d'autres matriaux (aluminium, papier ). Intrt: cumuler les caractristiques positives de chacune des couches. L'utilisation essentielle des complexes concerne l'emballage.

COMPOSITES Au sens propre: Tous les plastiques chargs ou renforcs sont des composites. L'usage: on ne retient dans le groupe des composites que les produits comportant des lments filamentaires qui jouent le rle de renfort, l'exemple du fer dans le bton arm.

Charge: produit tel que le calcaire- qui, mlang une matire plastique, apporte celle-ci une proprit spcifique et permet entre autres d'obtenir un abaissement du prix de revient. Renfort: est le plus souvent un lment filamentaire qui, intgr une matire plastique, lui confre une meilleure rsistance mcanique. Les termes de composites, plastiques arms, plastiques renforcs sont synonymes. Les composites se rattachent dans leur quasi-totalit la famille des plastiques, puisque l'on associe un renfort une matrice polymrique (thermoplastique ou thermodurcissable). Les structures sandwichs s'apparentent par leur gomtrie des complexes pais, mais elles sont en fait constitues par des lments en matriaux composites. Les composites, au sens large, existent depuis plusieurs dizaines d'annes, comme le montrent les exemples du tableau 1. Toutefois, la nouveaut porte sur la concurrence qu'ils manifestent vis--vis des mtaux (tableau 2).

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Matriaux de synthse

Plastiques

Elastomres

Htrogne

Homogne

Composite

Complexe

Sandwich (Cas particulier)

Fig.1- Filiation indiquant la place des composites dans les matriaux de synthse.

Matriaux composites au sens large Charg Thermoplastiques Renforc Charg Thermodurcissables Renforc

Fonction Habitat Revtement de sol Ameublement Habillement Non tisss Emballage Complexes Papier, alu Manutention Gros bac Transport Garnissage auto Petites pices de structure pices lectriques (statiques) Elments de carrosserie

palette Panneau de particules Plaque de couverture Lamifi Citerne

Tableau 1. Exemples de produits raliss en matriau de type composite

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Matriaux composites base plastique Plastiques + porognes (allgs) Plastiques + charges TP + renforts (fibres courtes) TD + renforts (fibres longues)

Substitution Bois Alliages lgers Aciers

Efforts encaisss Statiques Dynamiques

Tableau 2: Les matriaux composites concurrencent les matriaux traditionnels et en particulier les mtaux. Ainsi, le renforcement des plastiques par des fibres vise: le march des mtaux lgers, s'il s'agit de polymres thermoplastiques (TP); le march des aciers, lorsque l'on emploi des rsines thermodurcissables (TD).

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NOTIONS DE BASE Dfinitions:Pour qu'un matriau puisse tre qualifi de composite, il doit rpondre aux deux critres suivants: tre constitu d'au moins deux matriaux non miscibles; les constituants doivent tre mlangs dans les deux ou trois directions. Dans une structure composite on distingue: la matrice plastique qui lie entre elle les fibres du renfort et rpartit les efforts; elle participe galement la compression, flexion et assure la protection chimique en protgeant la structure contre les agents physico-chimiques. Elle donne de plus la forme du produit ralis. C'est par dfinition- un polymre ou une rsine organique. le renfort qui constitue l'armature, ou le squelette, assurant la tenue mcanique (rsistance la traction et rigidit). Il est par dfinition- de nature filamentaire (fibre minrale ou organique). l'interface qui permet la cohsion du matriau et assure la compatibilit entre le renfort-matrice, en transmettant les contraintes de l'un vers l'autre, sans dplacement relatif (bonne adhrence en couche fine; de l'ordre de m), sinon la matrice, dont les proprits sont gnralement infrieures celles du renfort, pourrait entraner la fracturation de l'ensemble du matriau. C'est la raison pour la quelle les renfort subissent un traitement (dit ensimage, pour le verre) qui les rend aptes tablir de solides liaisons avec la matrice dans laquelle ils sont noys. (la prsence d'un grand nombre de micropores la surface d'une fibre est un facteur important qui favorise l'adhsion de celle-ci avec la matrice). des charges, apportant des proprits particulires ou complmentaires (tenue la chaleur, rpartition des efforts), ou encore permettant un abaissement du prix de revient. Contrairement aux renforts, les charges ne sont pas filamentaires, elles se prsentent sous forme de particules. les additifs spcifiques: catalyseur, acclrateur de polymrisation On obtient, dans tous les cas, un matriau anisotrope rsultant de la juxtaposition des deux phases principales (renfort et rsine) htrognes et diffrentes. On parle de systme composite car on ralise en une mme fois le matriau et produit (d'o un concept nouveau). Il faut donc construire la structure la demande; le rsultat tant un systme 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 qualit de l'interface renfort-matrice, la gomtrie de la pice raliser, le procd de mise en uvre utilis. Le but recherch est donc d'orienter au mieux les renforts en fonction des efforts ou contraintes auxquelles la structure est soumise, (cd dplacer seulement le cot aux niveaux

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les plus sollicits et non partout ailleurs). On ralise une anisotropie contrle (proprits"sur mesure").

Composite de grande diffusion et composites de hautes performancesComposites dits de grande diffusion (GD), les plus courants, essentiellement ceux provenant du couple fibre de verre E/rsine polyester ou verre E/ technopolymres, avec des taux de renforts voisins de 30% (en masse). Ils reprsentent actuellement les plus gros volume d'utilisation avec un bon compromis performance/cot voisin des mtaux. Composites dits de hautes performances (HP), issus surtout des associations de fibres longues de verre R, carbone, ou aramide avec des rsines poxydes, et des taux levs de renfort, suprieure 50 %. Les proprits mcaniques (en particulier la rsistance et le module spcifiques"R/d et E/d") sont nettement suprieures celles des matriaux conventionnels, aux dpens, toutefois, d'un cot trs lev (comme pour les structures aronautiques et spatiales). Constituants Renfort Composites de grande diffusion Verre E (fibre longue ou courte) Polyester Phnolique (et thermoplastiques) Composites de hautes performances Verre R Aramide Carbone (fibre continue) Bore Epoxyde Polyimide

Rsine

Tableau 3: Typologie de base des composites.

Filire technologiqueL'laboration des composites a pour point de dpart la chimie, tant pour la prparation des fibres renforts que pour celles des matrices / polymres. La premire transformation du tissage des renforts et de la transformation des rsines constitue une tape importante dans la construction du composite. La transformation finale, qui permet de raliser la structure composite, comporte elle mme une dizaine de procds conduisant des formes et des caractristiques diffrentes.

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Chimie

Minrale

Organique

Renfort

Matrice

Tissage

Formulation

Procds de transformation

Contact Projection Drapage

Compression Injectiontransfert Autoclave

Stratification en continu Pultrusion

Centrifugation Enroulement ou bobinage

Structures bi et tridimensionnelle ou Plaques planes

Profils ou

Corps de rvolution

Utilisations

Fig. 2- Filire dlaboration des composites.

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LES RENFORTSUn renfort apporte la matire uniquement une contribution dans l'amlioration de ses caractristiques mcaniques face des contraintes dynamiques. Pour cela, on utilise des renforts sous forme filamentaire allant de la particule allonge la fibre continue. La fibre renfort, qui peut comporter plusieurs milliers de filaments, apporte donc toujours la tenue mcanique de la structure composite (la matrice apportant la forme et la tenue chimique). On caractrise la fibre renfort par son titre (tex) qui correspond au poids en gramme d'un kilomtre de fil. En gnral, dans une structure composite (anisotrope), les fibres travaillent bien en traction mais, en comparaison avec les structures mtalliques (isotropes), les performances en compression sont moins bonnes et la rsistance au cisaillement demeure faible. En fonction des proprits recherches, on distingue trois grands types de renforcement:

Fig. 3- Principales architectures de renforts.

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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;

Rsistance recherche Unidirectionnelle (A) Alatoire (B) Multidirectionnelle Direction privilgie (C)

Type de renfort Fils parallles sans torsion, dit roving ou stratifil Nappe de fils Fils coups Feutres de fils coups agglomrs dit mat Tissu bidimensionnel (toile, satin) tridimensionnel

Tableau 4: principales gomtries de renforts. Dans un composite, le renfort reprsente, suivant le procd de mise en uvre un taux massique compris entre 20 et 80 %.

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ANALYSE DES DIFFERENTS TYPES DE RENFORCEMENTLE VERRELa fibre de verre constitue le renfort essentiel des composites GD et fait l'objet d'une consommation trs importante. Base: on la ralise partir de la silice (SiO 2), dont les ressources sont abondantes (pas de problme d'approvisionnement), et par mlanges d'additifs on produit trois types de verre utilisables dans les composites.

Types de verre Principaux constituants (%) Silice (SiO2) Alumine (Al2O3) Chaux (CaO) Magnsie (MgO) Oxyde de bore (B2O3)

E 53-54 14-15 20-24 20-24 6-9

D 73-74

R 60 25

0,5-0,6 0,5-0,6 22-23

9 6 6

Obtention: on procde par coule de verre en fusion (1 250C) au travers de filires en platine - rhodium (diamtre 5 24 microns), suivi d'tirages successifs (filage grande vitesse). Il existe deux procds de filage du verre: l'tirage mcanique par filage grande vitesse (55 60 m:s), qui donne un fil de base continu constitu de 50 1500 filaments plus ou moins fins (diamtres 5 24 microns), qu'on appelle silionne. - L'tirage pneumatique, qui produit une mche de fibre discontinues (longueur = 5 80 cm), qu'on appelle verranne.-

La silionne, qui est une fibre continue, apporte une bonne rsistance mcanique. La verranne, qui est une fibre en mche (analogie avec la laine ou le coton), permet un meilleur accrochage de la rsine (tenue au dlaminage) et accrot la part de celle-ci. Mais ses caractristiques mcaniques sont rduites (elle est de ce fait moins utilise en composites). Les fibres destines aux composites reoivent un ensimage (dispersion aqueuse) qui assure plusieurs fonctions: -la protection du fil contre l'abrasion en fabrication (lubrifiant), -la liaison entre filaments (liant), -la compatibilit verre-rsine (agent d'accrochage).

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Fig.6- Production des fibres de verre Classes: En fonction de la composition des constituants de base on obtient les diffrents types de verre, qui se distinguent par leurs proprits et leur utilisations, comme le prcise le tableau 5.

Type E D R(ou S aux U.S.A)

Part 98% 1 2%

Caractristiques gnrales Usage courant Proprits lectriques Haute rsistance mcanique

destination Composites GD Electronique Composites HP

Tableau 5: typologie gnrale des fibres de verre. Dans l'usage courant, la fibre de verre est dsigne par deux lettres et deux chiffres: 1re lettre : type de verre E, D ou R

2me lettre : mode de filature, C= continu (silionne), D= discontinu (verranne) 1er chiffre : diamtre du mono-filament (micron) 2me chiffre : titre (tex).10

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Caractristiques spcifiques: Limites dutilisation Performances mcaniques spcifiques moyennes (compares celles des fibres de carbone, par exemple) Vieillissement au contact de leau.

Avantages Rapport performances mcaniques/ prix trs intressant. Disponibilit sous toutes les formes (fil, stratifil, mat, tissu). Possibilit de bonne adhrence avec toute rsine (existence densimages). Rsistance mcanique intressante temprature leve (environ 50% de la rsistance conserve 350C). Dilatation thermique faible. Conductivit thermique relativement faible. Bonnes proprits dilectriques. Bonne rsistance lhumidit et la corrosion. Bonne rsistance spcifique (verre R).

Tableau 6: caractristiques essentielles de verre -

Prsentation:

Fil continu ou roving: il est obtenu, soit directement sous filire par assemblage d'un grand nombre de filaments, soit par assemblage en parallle et sans torsion de plusieurs fils:

diamtre du filament de base : 10 24 microns, titre: 600, 1200,2400, 4800 tex.

Le roving est prsent en bobine. Il est destin la coupe (projection, SMC), au tissage, et l'imprgnation en continu ou l'enroulement. On produit galement du roving primprgn d'poxy (verre R pour composites HP). Fibres coupes: le fil est coup des longueurs de 3 12 mm. On l'utilise principalement pour la ralisation des mats et pour la fabrication des BMC. Fibres broyes: le broyage rduit les fibres des longueurs de 0,1 0,2 mm. On emploi ces fibres pour le renforcement des granuls en thermoplastiques et des rsines polyurthanes (R-RIM).-

Mat: feutre de fibres agglomres par un liant facile former. IL existe deux sortes de mats:-

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les mats fibres courtes: ce sont des feutres de fibres coupes (longueur = 50 mm), maintenues par un liant soluble dans le styrne (taux = 3 10 %), sans orientation prfrentielle. On l'utilise pour le moulage au contact et pour la ralisation de primprgns SMC.

les mats fibres continues: les fibres continues sont distribues en couches rgulires et maintenues par un liant. On les emploie dans le moulage basse pression pour la ralisation de prformes et dans la fabrication des plaques en thermoplastique estampable.

Les mat sont caractriss par leur poids/m (300 600 g/m). Un mat de 300g/m a une paisseur de 0,7 mm.

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