Comportement Elastique Linéaire des Matériaux Composites Cours : 2011-2012 Comportement Elastique Linéaire des Matériaux Composites Master: Energie Renouvelable/Semestre 3 Module : Energie Eolienne Elément : Milieux composites Département de Physique. Faculté des Sciences Ben M’Sik. Université Hassan-II Mohammédia. Casablanca-Maroc. Pr: H. LAHMAM L.C.S.M

    Plan du cours Introduction 1 Matériaux de renfort (Fibres) 2 Matrices  3 Comportement élastique linéaire des composites

1 Introduction Dans la nature il existe une multitude de matériaux qui se distinguent par leurs propriétés mécaniques et qui ont inspiré les scientifiques dans les années quarante à chercher de nouveaux matériaux révolutionnaires appelés matériaux composites (ou composites à fibres).

Ces matériaux comprennent deux composants: 2 Ces matériaux comprennent deux composants: les fibres, qui apportent au composite leurs hautes caractéristiques mécaniques. la matrice, qui est de nature différente et qui a souvent des propriétés mécaniques faibles, assure la continuité de la structure composite.

3 Dans le monde animal : les os sont des matériaux rigides mais légers. Ils sont constitués de fibres de collagène qui compensent les propriétés de la matrice d’apatite, dure et fragile. Dans le monde végétal: Le bois contient des fibres de cellulose souples et résistantes en traction, associées à une matrice de lignine qui les enveloppe et assure la continuité structurale.

 la construction aéronautique  la construction automobile 4 De nos jours, La nouvelle génération des matériaux, appelés matériaux composites ( ou composites à fibres), ne cesse d’envahir des domaines d’application multiples tels que:  la construction aéronautique  la construction automobile  la construction navale  le domaine biomédical

5 Le coton, la soie, la laine sont des fibres naturelles constituées de polymères orientés dans la direction de la fibre; il en est de même des fibres artificielles telles que la rayonne, le Nylon et le polyéthylène. Ces fibres se caractérisent par leur grande résistance à la rupture. Cette propriété est due à la forte liaison covalente entre les atomes de carbone.

6  Les fibres artificielles sont une imitation des fibres naturelles (ver à soie). Fil de soie artificielle ou rayonne (nitrate de cellulose) (Le comte Hilaire de Chardonnet en 1878)

7 La découverte des fibres artificielles date de la fin du 19ème siècle. Ces fibres ont été fabriquées à partir de la cellulose (substance qui se trouve dans les parois des cellules végétales). Grâce à un solvant adéquat tel que le mélange alcool-éther, découvert par Georges Audemars en 1855, la cellulose devient visqueuse permettant ainsi d’obtenir des fibres par étirement. Au fur et à mesure que le solvant s’évapore, ces fibres se coagulent.

8 Les fibres synthétiques ont été développées après la deuxième guerre mondiale, grâce à la chimie moderne (la chimie macromoléculaire ) et surtout dans le domaine du textile ( ou textiles techniques).

9 Le concept de la macromolécule a été donné par H. Staudinger, à partir de 1920, qui montre que les macromolécules linéaires permettent de constituer des corps fibreux formés par l’assemblage en faisceaux parallèles de nombreuses macromolécules, plus ou moins imbriquées.

1 Matériaux de renfort (Fibres) 10 1 Matériaux de renfort (Fibres) Les fibres artificielles,, on été fabriquées à partir d’une substance naturelle macromoléculaire produite par la nature sous une forme non fibreuse, comme la viscose à partir de pâte de bois. Les fibres synthétiques sont fabriquées, à partir de produits macromoléculaires de synthèse, comme les polyamides, les polyesters et les polyacryliques.

 + - Fibres de bore (BCl3 , H2) Fil de tungstène Fibre de bore 11  Fibres de bore + - Fil de tungstène Fibre de bore (BCl3 , H2) chambre à gaz Température du fil dans la chambre à gaz: 1200°C D fil tungstène: 13 m ; D fibre de bore: 140 m E fibre de bore: 410 GPa

Caractéristiques des fibres de Bore 12 Caractéristiques des fibres de Bore E(GPa) Allongement à la rupture ()  (Kg/m3) rupture-traction(MPa) Tmax d’utilisation (°C) 300 à 420 3000 à 3700 0,7 à 0,9 2650 500 à 700

 Fibres de carbone ( Thomas Edison 1878) 13  Fibres de carbone ( Thomas Edison 1878) C’est à Thomas Edison que revient la fabrication des fibres de carbone considérées comme les plus anciennes des fibres synthétiques. Il a élaboré ampoules électriques en utilisant filaments obtenus par carbonisation de fibres de coton.

14 Les fibres de carbone modernes sont fabriquées par carbonisation des fibres de P.A.N ( PolyAcryloNitrile). La fibre organique est chauffée dans l’air à 2500C, des liaisons entre les macromolécules unidirectionnelles se créent. Entre 3000C et 5500C dans une atmosphère inerte, les atomes d’oxygène, d’hydrogène et d’azote sont expulsés.

15 Les propriétés mécaniques de la fibre de carbone dépendent considérablement de la température. le module de Young de la fibre augmente avec la température, tandis que la résistance à la rupture passe par un maximum autour de 15000C. Grâce a ses propriétés mécaniques, la fibre de carbone est très utilisée dans l'industrie aérospatiale.

Résistance en traction (GPa) 16 4 3 2 0,2 0,3 0,4 Résistance en traction (GPa) 5 Module de Young (MPa) 1 1200 1500 1800 2100 2400 2700 3000

Caractéristiques des fibres de carbone 17 Caractéristiques des fibres de carbone caractéristiques Fibres HR Fibres HM E(GPa) Teneur en C () (Kg/m3) rupture(GPa) Tmax d’utilisation (°C) 180 à 230 2500 à 3400 95 à 98 1800 2000 350 à 420 1900 à 2300 99 1900 2500

18  Fibres de verre Les fibres de verre sont produites par étirage de verre fondu à travers une filière. A la sortie des trous de la filière, les baguettes de verre sont étirées grâce à la rotation rapide d’une broche de l’ordre de 250m/s. Les diamètres des fibres de verre sont compris entre généralement entre 5 et 25 m.

19 Les fibres de verre ont l’inconvénient de posséder un module de Young relativement bas (E70 GPa). Leur résistance à la rupture est d’environ 2,5 GPa

20  Fibres de Kevlar La fibre de Kevlar est une fibre aramide appartenant au groupe des fibres polyamides aromatiques. Elle est caractérisée par sa grande résistance à la traction(fabrication des mats).

Caractéristiques des fibres d’aramide 21 Caractéristiques des fibres d’aramide E(GPa) Allongement à la rupture ()  (Kg/m3) rupture-traction(MPa) Tmax d’utilisation (°C) 60 2700 4,5 1450 200 Caractéristiques Kevlar 29 Kevlar 49 130 3600 2 425

22  Le fibre de polyamide Les polyamides sont des polymères fabriquées par condensation des polyacides et des polyamines. Exemple, Le polyamide 6-6 sous le nom de Nylon et le polyamide 6 sous le nom de Perlon. Les polyamides sont caractérisés par leur ténacité (forte adhérence).

23 Le développement des polyamides aromatiques a permis de mettre au point des fibres à hautes performances thermiques et mécaniques (grandes résitance à la rupture en traction). Les fibres de polyamide supportent des températures qui dépassent 2000C. Ces matériaux trouvent leurs applications dans les renforts de pneumatiques.

24 En conclusion, on constate que les fibres présentées possèdent des caractéristiques mécaniques très supérieures à celles des matériaux classiques. Fibre rupture (MPa) Acier 360 260 410 220 2400 3200 3260 1600 Carbone HM E(GPa) Carbone HR Bore

25 2 Matrices La fabrication des composites à fibres se fait par plusieurs procédés d’injection (ou de coulée) de la résine (matrice) sur les fibres de renfort qui sont préalablement disposées. Parmi les procédés on cite le R.T.M (Resin Transfert Moulding) qui consiste à réaliser une injection de résine liquide à basse pression.

26 Coulée par gravité Moule Contre-moule Résine Dépression Robinet

27 L’ensemble, résine et fibres, est chauffé pour produire la réticulation de la résine. Le moule est mis sous pression (vide) pour assurer une bonne répartition de la résine (limitation de la porosité).

28 D’autres techniques (ou procédés) d’imprégnation sont possibles comme l’injection et l ’infusion. Remarque: Certains composites sont faits de fibres et de matrice de même nature: c’est le cas des fibres de carbone enrobées dans une matrice de carbone (composites carbone-carbone;Tmax=3.000 0C).

Différents types de matrice 29 Différents types de matrice Matrices métalliques Matrices organiques

30 Matrices métalliques Certaines fibres peuvent être noyées dans des matrices métalliques. les fibres de carbone ou de bore peuvent être noyées dans un alliage d’aluminium et de titane. Les matériaux composites de type carbone-carbone sont utilisés par exemple à la sortie de la chambre de combustion des moteurs-fusées ou pour la fabrication de plaquettes de frein à hautes températures.

Résines thermo- durcissables Résines thermo- plastiques 31 Matrices organiques Résines thermo- durcissables Résines thermo- plastiques Résines en élastomères

Résines thermodurcissables 32 Résines thermodurcissables Ces résines ont la qualité d’être très adhésives avec les fibres et elles passent de façon irréversible de l’état liquide à l’état solide. Elles possèdent des propriétés mécaniques et thermiques variées selon l’usage pour lequel elles sont destinées.

Caractéristiques des résines thermodurcissables 33 Caractéristiques des résines thermodurcissables Caracté-ristiques E(GPa) (g/cm3) R(MPa) Tmax (°C) 1-4 résines  () Polyester Epoxyde Polymide Phénoly-que Viny-lester 2,5-5 4-9 3,85-7 3,3-3,5 50-60 65-80 30-40 30 80-83 2-3 2-5 <1 1 5 1,2 1,1-1,5 1,4-1,5 0,9-1,3 1,05-1,12 120 170 100-140 150-180 300

Avantages et inconvénients des polyesters 34 Avantages et inconvénients des polyesters Avantages Inconvénients Prix avantageux Mise en œuvre facile Bon accrochage sur fibres de verre isolants électriques Bonne tenue chimique aux acides non oxydants et alcools Mauvaise tenue aux feux Faible tenue à la vapeur et à l’eau bouillante Retrait important au moulage

Avantages et inconvénients des époxydes 35 Avantages et inconvénients des époxydes Avantages Inconvénients Excellentes propriétés mécaniques Bonne tenue à la chaleur Bon accrochage sur fibres et métaux Bons isolants électriques Bonne tenue chimique aux bases, aux acides faibles, à l ’eau, aux H.C Mauvaise résistance aux acides forts,à l’acétone Temps de polymérisation long Prix de revient élevé Mesures d’hygiènes particulières

Avantages et inconvénients des polymides 36 Avantages et inconvénients des polymides Avantages Inconvénients Bonne résistance mécanique bonne tenue au feu Excellente tenue en température Mauvaise tenue à l’oxydation Mauvaise tenue aux bases Prix très élevé mais justifié Bonne résistance chimique Transformation souvent difficile

Avantages et inconvénients des phénolyiques 37 Avantages et inconvénients des phénolyiques Avantages Inconvénients Prix bas bonne tenue en température Retrait faible cadence de moulage faible Mauvaise tenue aux bases et acides Coloration difficile bonne tenue au feu qualités mécaniques moyennes Matériau non alimentaire

Avantages et inconvénients des vinylesters 38 Avantages et inconvénients des vinylesters Avantages Inconvénients Bonne résistance au vieillissement bonne résistance à la chaleur jusqu’à 180°C aide l’anticorrosion nécessite une post cuisson de 3 à 6 heures à 90-100°C au moins avant la réalisation du stratifié Prix plus élevé Qualité alimentaire Résistance mécanique élevée

Résines thermoplastiques 39 Résines thermoplastiques Les résines thermoplastiques ont la propriété de passer de façon réversible de l’état solide à l’état pâteux. Elles sont donc faciles à transformer à chaud. L’imprégnation des fibres par ces résines est assez difficile.

Différences entre matrices TD et TP 40 Différences entre matrices TD et TP Caracté-ristiques Matrices TD TP Etat de base Solide prêt à l’emploi Liquide visqueux à polymériser Mouillabilité des renforts Difficile Aisée Tenue au choc Assez bonne Limitée Tenue thermique Réduite Meilleure Chutes et déchets Perdus Recyclables

Résines en élastomères 41 Résines en élastomères Le terme «élastomère» désigne d’une façon générale tous les caoutchoucs c’est-à-dire les substances macromoléculaires, naturelles ou synthétiques, possédant l’élasticité caoutchoutique. Les élastomères, comme les matières plastiques, font partie de la famille des polymères.

42 Le caoutchouc naturel provient l’Hevea Brasiliensis, tandis que le caoutchouc synthétique est issu de la pétrochimie. les élastomères peuvent être associés à d’autres matériaux tels que les métaux, les textiles et certaines matières plastiques. Les élastomères sont utilisés donc comme des matrices pour les composites devant résister à des grandes déformations.