Chapitre I Introduction

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Alexandre Jean
il y a 6 ans
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1 Chapitre I Introduction

2 Introduction Métaux Composites Polymères Céramiques

3 Introduction Acier Autres Titane Composites Aluminium

4 Introduction Composites résine-carbone Composites résine-kevlar Titane superplastique Alliage aluminium-lithium

5 Introduction Les matériaux composites (MC) disposent d'atouts importants par rapport aux matériaux traditionnels. Ils apportent de nombreux avantages fonctionnels : légèreté, résistance mécanique et chimique, maintenance réduite, liberté de formes. Ils permettent d'augmenter la durée de vie de certains équipements grâce à leurs propriétés mécaniques et chimiques. Ils contribuent au renforcement de la sécurité grâce à une meilleure tenue aux chocs et au feu.

6 Généralités sur les matériaux composites Définition Un matériau composite est un assemblage d au moins deux matériaux non miscibles (mais ayant une forte capacité d adhésion) : une matrice (phase continue) et des renforts (phase discontinue), additionnés de diverses charges et/ou additifs. Le nouveau matériau ainsi constitué possède des propriétés que les éléments constitutifs seuls ne possèdent pas. Dans le cas de plusieurs phases discontinues de natures différentes, le composite est dit hybride. La phase discontinue est habituellement plus dure avec des propriétés mécaniques supérieures à celles de la phase continue. Les propriétés des matériaux composites résultent : i. des propriétés des matériaux constituants ; ii. de leur distribution géométrique ; iii. de leurs interactions, etc

7 Généralités sur les matériaux composites Exemples Les composites sont très anciens : Les Égyptiens fabriquaient leurs briques en mélangeant argile et paille Les murs en torchis (argile + paille)... Les composites naturels * Bois : fibres en cellulose (renfort) et de la lignine (matrice) * Os : à base d'une matrice en collagène (protéine souple mais résistante) et de renforts en apatite (substance minérale dure et cassante) Les composites artificiels (voir tableau)

8 Généralités sur les matériaux composites Polyesters insaturés

9 Généralités sur les matériaux composites Avantages des matériaux composites * Gain de masse ; * Mise en forme de pièces complexes (principe du moulage) et réduction du nombre d interfaces (boulonnage, rivetage et soudure sur structures métalliques) ; * En général, par leur caractère organique, les MC ont un excellent comportement vis à vis de la corrosion ; * Excellent comportement en fatigue et leur structure fibreuse fait qu une rupture brutale de pièce en service est quasiment impossible; * Très bon comportement aux chocs ; par exemple, ils participent à l amélioration de la sécurité des véhicules grâce à leur endommagement progressif et donc à leur capacité d absorption progressive d énergie tout au long du choc; * Conception du composite en fonction du type d application et du chargement à l inverse des matériaux classiques où on adapte la conception en fonction du matériau.

10 Généralités sur les matériaux composites Inconvénients des matériaux composites * Vieillissement sous l action de l eau et de la température ; * Tenue à l impact moyenne par rapport aux métalliques ; * Emission de fumées parfois toxiques pour certaines matrices ; * Coût parfois élevé.

11 Généralités sur les matériaux composites Comparaison matériaux composites / métaux

12 Généralités sur les matériaux composites Constituants des matériaux composites

13 Généralités sur les matériaux composites Renforts Les renforts constituent l armature ou le squelette d un MC. Ils contribuent à améliorer la résistance mécanique et la rigidité. Ils se présentent souvent sous forme filamentaire, allant de la particule de forme allongée à la fibre continue qui donne au matériau un effet directif. Matrice La matrice a pour rôle principal de transmettre les efforts mécaniques au renfort (résistance à la compression ou à la flexion). Elle assure aussi la protection du renfort vis-à-vis des diverses conditions environnementales. Elle permet en outre de donner la forme voulue au produit réalisé.

14 Généralités sur les matériaux composites Matrice Les polymères transformés à l état liquide ont été initialement choisis pour servir de matrices et continuent à être le plus souvent employés pour des raisons de facilité de mise en œuvre sans pression. Charges et additifs La matrice et les renforts reçoivent des additifs ou charges nécessaires pour assurer une adhérence suffisante. Ils permettent également, de réduire le coût, de modifier l aspect ou les caractéristiques de la matière à laquelle ils sont ajoutés : - Pigments de coloration, agents anti-uv, - Charges ignifugeantes, - Isolation thermique ou acoustique, - Lubrifiants et agents de démoulage.

15 Généralités sur les matériaux composites Charges Ils sont le plus souvent minérales : carbonate de calcium, mica, talc, carbone (noir de fumée), le graphite colloïdal, etc. Ils peuvent être rarement métalliques : aluminium et fer qui permettent d augmenter la conductivité thermique des résines. Additifs * Lubrifiants et agents de démoulage: ces additifs ont pour objet de faciliter le façonnage de la résine et de réduire la tendance de la résine à adhérer aux moules. * Pigments et colorants: sont des produits insolubles se présentant sous forme de poudres ou de paillettes. Ils sont obtenus à partir d'oxydes ou de sels métalliques. À partir de ces pigments, il est possible d'obtenir des pâtes colorantes.

16 Classification des matériaux composites Classification suivant la nature des constituants Différentes familles selon la matrice

17 Classification des matériaux composites Classification suivant la nature des constituants Différentes familles selon le renfort

18 Classification des matériaux composites Classification suivant la forme des constituants

19 Classification des matériaux composites Classification suivant la forme des constituants Composites à fibres Dans ce cas le renfort est sous forme de fibres qui peuvent être soit continues, soit discontinues (fibres coupées, fibres courtes, etc.) Les propriétés de ce type de composite dépendent donc de : * La nature des constituants, * La proportion des constituants, * L'orientation, la forme, la taille et la répartition des fibres.

20 Classification des matériaux composites Classification suivant la forme des constituants Composites à particules Dans ce cas le renfort est sous forme de particules. Une particule, par opposition aux fibres, ne possède pas de dimension privilégiée. Les particules sont généralement utilisées pour améliorer certaines propriétés des matériaux ou des matrices, comme la rigidité, la tenue à la température, la résistance à l'abrasion, etc. Dans de nombreux cas, les particules sont simplement utilisées comme charges pour réduire le coût du matériau, sans en diminuer les caractéristiques.

21 Classification des matériaux composites Classification suivant la forme des constituants Monocouches Les monocouches représentent l'élément de base de la structure composite. Les différents types de monocouches sont caractérisés par la forme du renfort : à fibres longues (unidirectionnelles, réparties aléatoirement), à fibres tissées, à fibres courtes.

Classification des matériaux composites Classification suivant la forme des constituants Composites stratifiés Stratifiés Un stratifié est constitué d'un

22 Classification des matériaux composites Classification suivant la forme des constituants Composites stratifiés Stratifiés Un stratifié est constitué d'un empilement de monocouches ayant chacun une orientation propre par rapport à un référentiel commun aux couches et désigné comme le référentiel du stratifié.

Classification des matériaux composites Classification suivant la forme des constituants Composites sandwich Un panneau sandwich est constitué de deux couches (peaux) d un matériau très résistant

23 Classification des matériaux composites Classification suivant la forme des constituants Composites sandwich Un panneau sandwich est constitué de deux couches (peaux) d un matériau très résistant entre lesquels on intercale une âme (ou cœur) constituée d'un matériau moins dense et possédant de bonnes propriétés en compression. L'objectif est d obtenir une structure permettant de concilier légèreté et rigidité. Matériaux sandwiches à âmes pleines

Classification des matériaux composites Matériaux sandwiches à âmes creuses Les peaux supportent la majeur partie des charges qui s exercent dans le plan du panneau en plus des contraintes de flexion.

24 Classification des matériaux composites Matériaux sandwiches à âmes creuses Les peaux supportent la majeur partie des charges qui s exercent dans le plan du panneau en plus des contraintes de flexion. Les peaux sont le plus souvent des stratifiés (verre, carbone, Kevlar) ou des feuilles d'alliages légers (Aluminium, Titane, etc.). Le cœur s oppose aux déformations perpendiculaires au plan des couches qu il sépare et permet de résister aux forces de cisaillement.

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