Matériaux Composites GENERALITES définitions, avantages et inconvénients, applications, PROPRIETES ELASTIQUES des propriétés micro aux propriétés macro CRITERES DE RUPTURE TECHNOLOGIE éléments constitutifs et procédés de fabrication 1 Un composite, c est quoi? Au sens large : Tous matériaux hétérogènes. En général un matériau composite est constitué : d'une matrice (ou liant) qui peut être de nature organique (résine), minérale (carbone) ou métallique (aluminium) d'éléments renforçants (fibres de verre, carbone,...) de charges et d'additifs pouvant être incorporées pour apporter des caractéristiques particulières (renfort, conductrice, ignifugeante, poids, coût...) En fait, on s'intéresse aux matériaux constitués de deux matières ou plus ayant des propriétés et des rôles différents. 2 1
Plastiques renforcés Métaux et alliages Pneus à armatures en acier composites Béton armé «cermets» Polymères PRFC PRFV Polymères chargés Céramiques et verres 3 PRFV et PRFC Les matériaux composites, tels qu ils sont définis dans la suite du cours sont principalement constitués : d une matrice : résine thermoplastique (TP) ou thermodurcissable (TD) d une structure de renfort constituée de fibres : généralement de verre, de carbone ou d aramide (Kevlar) On parle de plastiques renforcés (PRFV, PRFC, ) 4 2
Pourquoi les composites? Matériaux à rigidité spécifique et résistance spécifique élevée Matériaux pouvant être conçus à la carte Principales fonctions : rigidité, résistance mécanique, résistance à la corrosion, tenue aux choc (TP), tenue au feu, formes complexes, allègement de structure, 5 Rigidité spécifique 6 3
Résistance spécifique 7 Résistance à l environnement 8 4
Aéronautique L aéronautique utilise les composites HP pour la fabrication de pièces de structure primaire des appareils en raison de leur légèreté, de leur souplesse de forme et des économies de frais de maintenance qu'ils engendrent. - matrice époxyde (polyester,...) - taux élevé de renforts en fibres de carbone (verre, aramide, ). Le Rafale. Utilisation très importante de carbone/époxyde et aramide/époxyde. Masse de matériaux composites : 1110 kg, soit un gain de 25%. Les méthodes d assemblage des pièces en composite et la résistance aux chocs, médiocres pour les composites TD, constituent les principaux handicaps des composites dans ce secteur. 9 Airbus 10 5
Automobile Ce secteur utilise pour 95% des composites à matrice polyesters et fibres de verre, mais devrait intégrer massivement les composites TP d'ici 2003-2006. Les composites apportent à ce secteur une facilité d entretien et une grande liberté de conception. L allègement obtenu par l utilisation des composites permet d économiser du carburant. Le développement à long terme des composites dans ce secteur est menacé par la difficulté de les intégrer dans les chaînes de fabrication et par les exigences de recyclabilité. 11 Construction nautique Le moulage au contact représente encore 85% des composites utilisés dans ce secteur. Les problèmes d environnement sont susceptibles de menacer à terme l industrie nautique des matériaux composites ; en effet, les nouvelles réglementations européennes limitant les émissions de COV (styrène) pourraient constituer une menace pour cette industrie si elle ne s adapte pas. Catamaran Elf Aquitaine (1983). Bateau de grande taille en composites HP. Masse totale équipée de 5,3 t. Gain de 50% par rapport à une construction en alliage léger. 12 6
Construction industrielle 13 Biomédical 14 7
Étude de cas Arbre de transmission pour camion On se propose de remplacer la transmission classique à cardan et palier intermédiaire ci-dessous : Par une solution incluant un arbre long en carbone/époxyde, avec les dimensions suivantes : 15 Caractéristiques de l arbre Il est supposé creux et mince (épaisseur e<<rayon r). Longueur L = 2 m et diamètre Φ < 120 mm Compte tenu de la nature de la sollicitation sur le stratifié constituant le tube (cisaillement pur), sa composition nécessite : des pourcentages importants de fibre dans les directions à+-45 (par rapport àl axe du tube) des pourcentages minimum de l ordre de 10% dans les directions 0 et 90 16 8
Caractéristiques d une couche Type carbone/époxyde ρ = 1750 kg/m ; ρ = 1200 kg/m f 3 3 m Épaisseur d une couche : 0,125 mm Volume relatif de fibre de carbone : V f = 60% E = 134000 MPa E G 1 2 12 12 élasticité = 7000 MPa = 4200 MPa ν = 0,25 rupture X = 1270 MPa X = 1130 MPa Y = 42 MPa Y = 141MPa S = 63 MPa 1 3 fibre matrice 2 17 Critères de conception M τ t rupt Statique (rupture) : τ = τ 2 adm = 2π r e 6 coefficient de sécurité (d ignorance) Dynamique : La première fréquence propre de flexion d un arbre sur deux appuis est donné par : π EI 3 f1 = I = π r e 3 2 ml m est la masse de l arbre, I son moment quadratique de flexion et E le module d Young dans l axe de l arbre. Cette première fréquence correspond à une «vitesse critique» pour l arbre en rotation, qui ne devra pas être atteinte au cours de son fonctionnement. 18 9
Étude de cas Arbre de transmission pour camion Paramètres de conception : couple de torsion maximum : M t = 300 m.dan vitesse de rotation maximum : N = 4000 tr/min 1 - Nombre de couches? 2 - Gain en masse de la solution composite par rapport à une solution acier de même épaisseur (résistance en cisaillement : 300 MPa, coefficient de sécurité = 3)? 19 10