Réalisé par : Amine Oihdi Mehdi Mejdi Encadré par : Mr. Khaled Lahlou Recherche thématique sur les matériaux composites à matrices organiques Réalisé par : Amine Oihdi Mehdi Mejdi Encadré par : Mr. Khaled Lahlou

PLAN Histoire des composites Introduction Définition d’un matériau composite La microstructure des composites Matrices organiques Renforts (FV et FC) Avantages et inconvénients des composites Conclusion : Principales fonctions apportées par les composites

Histoire des composites • Premier matériau composite naturel utilisé : bois • 9000-7000 av. J.-C : torchis et briques (argile et fibre végétale) • 2000 av. J.-C : arcs mongols (bois contrecollé de tendon et de corne) • 1823 : Charles Macintosh créé l'imperméable (caoutchouc sur coton) • 1892 : François Hennebique dépose le brevet du béton armé • 1942 : l’US Rubber Company invente le premier composite à fibre de verre

Introduction La conception et la réalisation de pièces composites à matrice organique (CMO), en particulier de pièces structurales ou de grandes dimensions, sont un enjeu majeur dans de nombreux secteurs industriels : transports, génie civil, bâtiment, aéronautique, construction navale. Les gains potentiels apportés par ces matériaux sont connus et nombreux : réduction de la masse, intégration de fonctions, réduction des coûts. Le comportement à long terme des CMO dépend de la matrice et du renfort utilisés, des additifs, de la pureté, de la masse moléculaire des monomères, de la nature des renforts et de l’orientation des fibres.

Qu'appelle-t-on matériaux composites ? Il n'existe malheureusement pas de définition unique des matériaux composites. Dans cette ressource, nous retenons les deux critères suivants : un composite est un matériau hétérogène, formé d'au moins deux constituants qui occupent des phases différentes. ces constituants sont disposés selon une organisation géométrique, qui confère au composite des propriétés supérieures à celles des constituants pris séparément. les composites sont généralement conçus de sorte à combiner judicieusement les propriétés de leurs constituants Pour éviter toute ambiguïté, certains auteurs emploient parfois le terme multi-matériaux pour désigner les composites "au sens large du terme"

Exemples de multi-matériaux (Composites) : (a) : un composite carbone/époxy (b) : un béton armé (c) : du bois vu au microscope optique (d) : une lame d'acier de Damas

La microstructure des composites : renforts et matrice Pratiquement tous les composites sont constitués d'éléments discontinus appelés renforts, noyés dans une phase continue appelée matrice. Schématiquement, les renforts assurent une part importante de la tenue mécanique (rigidité et résistance) du composite, tandis que la matrice maintient les renforts en position, transfère les efforts entre eux, et assure toutes les autres fonctions techniques. Il peut par exemple s'agir d'une protection contre diverses agressions (thermiques, chimiques, chocs...), de fonctions esthétiques (couleur, aspect...), de donner sa forme extérieure au produit fini... Les renforts peuvent avoir plusieurs géométries, et les deux constituants peuvent être réalisés dans de nombreux matériaux.

Les matériaux composites On distingue 3 catégories : les composites à matrices organiques (CMO), les composites à matrices céramiques (CMC), les composites à matrices métalliques (CMM). Malheureusement, on se limitera dans cette présentation à ceux constitués d’ : une matrice organique. une structure de renfort : fibres courtes, longues ou continues de verre, de carbone...

Composites à matrice organique (CMO) Il s'agit, de loin, des composites les plus répandus : ce sont en effet les seuls composites ayant, pour beaucoup d'entre eux, des coûts unitaires suffisamment réduits pour pouvoir être produits en grandes séries. Plus précisément, on distingue généralement deux types de CMO : les composites à grande diffusion, peu coûteux et représentant près de 95% des CMO fabriqués, utilisés pour toutes sortes de pièces faiblement sollicitées . les composites à haute performance, plus onéreux mais présentant des qualités mécaniques supérieures, notamment employés dans l'aéronautique, le nautisme, les sports et loisirs ou encore la construction industrielle  Quelques applications des CMO "haute performance" : (a) un catamaran, (b) le support de la charge utile d'Ariane 5, (c) des skis de compétition cadre de fenêtre blanc lumineux

Type de composites les composites grandes diffusions les composites hautes performances Les renforts sont des fibres longues Le taux de renfort est supérieur à 50%, Plus de Résistance mécanique et rigidité les composites grandes diffusions les renforts sont des fibres courtes. 95% des composites utilisés (moins chère) -Renforts et matrices sont à des coûts voisins -ce sont les renforts qui influent sur le coût. Les propriétés mécaniques (résistance mécanique et rigidité) supérieures.

MATRICES ORGANIQUES Les matrices employées pour ces composites sont des résines polymères. Il en existe deux types, qui possèdent des propriétés foncièrement différentes et sont employées dans des filières distinctes : les thermoplastiques, qui se présentent sous forme solide (granulés, plaques...) et que l'on met en forme en les ramollissant par chauffage, puis en les solidifiant par refroidissement ; les thermodurcissables, qui se présentent sous forme liquide visqueuse et que l'on met en forme en déclenchant une réaction chimique de polymérisation par ajout d'un durcisseur, ce qui entraîne une solidification.

Thermodurcissables vs thermoplastiques La différence essentielle entre ces deux types de polymères est la nature des phénomènes physiques assurant leur cohésion. Les thermoplastiques sont constitués de longues molécules linéaires, maintenues entre elles par des liaisons physiques de faible énergie (liaisons hydrogène ou de Van der Waals) ; ces liaisons se cassent lorsque l'on chauffe le polymère et se rétablissent lorsqu'on le refroidit, de façon réversible. A l'inverse, les thermodurcissables sont des molécules en forme de réseaux tridimensionnels, maintenus par des liaisons chimiques de forte énergie (liaisons covalentes) établies de manière irréversible lors de la polymérisation. Structures moléculaires : (a) d'un polymère thermoplastique, (b) d'un polymère thermodurcissable.

Cette différence fondamentale est à l'origine de propriétés bien distinctes. Par exemple : les thermoplastiques sont moins rigides et moins résistants que les thermodurcissables (mais cela importe peu sur les composites à fibres longues, car la rigidité et la résistance proviennent essentiellement des fibres !) ; les thermoplastiques sont plus ductiles que les thermodurcissables, donc résistent mieux à la fissuration ; les déchets thermoplastiques sont recyclables, les déchets thermodurcissables ne le sont pas ; les granulés thermoplastiques peuvent être stockés indéfiniment et à température ambiante, les thermodurcissables doivent être stockés au froid et pendant une durée limitée si la résine et le durcisseur sont déjà mélangés ; les thermoplastiques doivent toujours être portés à haute température pour être mis en forme, les thermodurcissables pas forcément...

Exemples de résines polymères Thermodurcissables  : les résines polyesters insaturés (UP) : peu onéreuses qui sont généralement utilisées avec les fibres de verre et que l'on retrouve dans de nombreuses applications de la vie courante, flexibilité de mise en œuvre, bonne performance mécanique et compatibilité avec la plupart des renforts les résines époxyde (EP) : possèdent de bonnes caractéristiques mécaniques. Elles sont généralement utilisées avec les fibres de carbone. les résines vinylester : sont surtout utilisées pour des applications où les résines polyester ne sont pas suffisantes. Elles sont issues d'une modification d'une résine époxyde et excellentes pour des applications de résistance chimique, les résines phénoliques (PF) : Excellente tenue au feu, moins de performance, Compatibilité parfois difficile avec les renforts fibreux et possède une porosité élevés thermoplastiques comme le polypropylène, le polyamide, le polyétherimide (PEI) et le poly(sulfure de phénylène) (PPS).

Renforts les fibres de verre (FV) : peu coûteuses et ultra-répandues (95% des renforts !), utilisées dans pratiquement toutes les applications "grande diffusion" et certaines applications "hautes performances" ; les fibres de carbone (FC) : plus onéreuses mais très performantes d'un point de vue mécanique, utilisées notamment en aéronautique, en construction industrielle et dans les sports et loisirs ; les fibres d'aramide (Kevlar) ou de polypropylène, plus résistantes aux chocs et plus tenaces que le carbone, d'où leur utilisation, entre autres, dans les gilets pare-balles et autres protections balistiques ; les fibres végétales comme le chanvre ou le lin, assez peu coûteuses et renouvelables, qui commencent à faire leur apparition sur certaines pièces peu sollicitées mécaniquement. Exemples de tissus de renforts utilisés pour les CMO haute performance : (a) verre, (b) carbone, (c) aramide (Kevlar)

Fibres de carbone Ce sont des fibres continues de très grande longueur.

Intérêts des fibres de carbone en BTP Grande résistance aux vibrations et haut pouvoir d’absorption d’énergie( zones sismiques). Limitation des contraintes de cisaillement autour de poutres L’absence de corrosion contrairement au fer. Augmentation de la durée de vie de certains équipements grâce à leurs propriétés mécaniques et chimiques. Contribution au renforcement de la sécurité grâce à une meilleure tenue aux chocs et au feu. Comportement purement élastiques jusqu’à rupture. Cette caractéristique permet aux structures de retrouver leur géométrie après de fortes sollicitations. Insensibilité à la corrosion dans les conditions climatiques particulières.

Utilisation des fibres de carbone Renforcement d’une structure défaillante. Ouvrages d’art. Enrichissement des possibilités de conception en permettant d'alléger des structures et de réaliser des formes complexes.

Fibres de verre La fibre de verre fait partie des matériaux devenus, en quelques décennies, incontournables dans le bâtiment. Ses avantages sont multiples, alliant notamment la légèreté à la résistance. Aujourd’hui, elle est présente dans tous les secteurs de la construction, en complément ou en élément de base. Elle est obtenue à partir de silice et d’additifs. Le verre est coulé en fusion à 1.250°C à travers une filière en platine-rhodium et qui donne après refroidissement des filaments. Ce derniers sont étirés pour obtenir des fibres continues : fibres de verre. Propriétés: Bonne adhérence entre fibres et résines. Bonnes propriétés mécaniques, mais inférieures à celles de la fibre de carbone. Isolation électrique acceptables.

L’utilisation de la fibre de verre dans la construction Depuis son arrivée dans le bâtiment, celle-ci a, au fur et à mesure de ses utilisations su devenir indispensable et s’imposer peu à peu comme un élément majeur et un matériau de construction performant. Ainsi, elle apparaît aujourd’hui sur tous les bâtis, que ce soit en équipement à proprement parler ou en complément d’autres produits. C’est le cas avec le béton qu’elle vient renforcer, ou pour la réalisation de chapes et de cloisons de plâtre. Longtemps utilisée en tant qu’isolant électrique, la fibre de verre intervient également dans la fabrication de mobiliers, notamment pour la conception de baignoires ou de lavabos. Ici, c’est à la fois sa résistance et sa légèreté qui sont soulignées, permettant une mise en place aisée, tout en offrant de nouveaux designs. Dans le même esprit, les piscines préformées emploient de plus en plus fréquemment cet équipement pour ces différents atouts, complétés par une autre qualité essentielle : son caractère ininflammable. Il s’agit aujourd’hui d’un matériau accessible, présentant un coût semblable aux matériaux traditionnels.

La fibre de verre en élément structurel de l’habitat Une autre utilisation de la fibre de verre intervient de plus en plus souvent au niveau des éléments structurels des constructions. Ainsi, elle s’affiche sur les toits, en reproduisant les dessins de couvertures en tuiles traditionnelles. Elle est notamment utilisée, dans ce cadre, pour la restauration de toitures sur charpentes anciennes ne disposant plus du même pouvoir porteur. Ce matériau vient  à la fois apporter sa légèreté, tout en garantissant une parfaite protection. Sa résistance lui permet de faire face aux intempéries, y compris au poids de la neige sur la structure. Une utilisation récente la place désormais en façade des constructions. Plusieurs grandes structures ont expérimenté ce procédé, offrant aux bâtis une seconde peau en composite. La fibre de verre fait alors bénéficier le bâtiment de ses capacités isolantes, tout en s’adaptant à toutes les architectures.

Principales utilisations Renforcement des ouvrages d’art. Panneaux rigides ou de matelas souples pour protéger murs et plafonds La fibre de verre trouve des applications en renforcement, isolation acoustique.

Avantages fonctionnels des composites Plus de résistance mécanique et chimique. Matériaux très légers. Meilleures performances mécaniques. Tenue en fatigue (2 fois supérieure à celle des aciers à haute résistance). Bonne isolation thermique et phonique. Meilleure tenue au feu et aux chocs. Facilité de mise en œuvre (souplesse des formes et réalisation des assemblages sans engendrer des déformations ).

Inconvénients des composites Coût parfois prohibitif. caractéristiques mécaniques généralement inférieures à celle des bétons , en particulier : la résistance à la fissuration, la fragilité (absence de déformation plastique). Forte concurrence des bétons spéciaux (béton étanche, béton résistant à la fissuration) émission de fumées toxiques pour certaines matrices. Manque d’information concernant leur cycle de vie Méconnaissance des architectes et bureaux d’études vis-à-vis des composites les caractéristiques mécaniques des composites ne sont réellement connues qu’après fabrication.