1.3.1 La fibre de carbone
Les fibres de carbone trouvent leurs applications dans les industries de haute technologie où sont requises des structures légères et résistantes, par exemple les domaines automobile, aéronautique et
équipement pour le sport. Les principaux atouts des fibres de carbone sont leurs excellentes proprié- tés mécaniques telles que la rigidité, la résistance à la traction, leur faible densité, leur haute stabilité thermique et leur conductivité électrique. On appelle fibre de carbone, des fibres qui contiennent 92% en poids de carbone dans leur composition [84].
Les fibres de carbone sont fabriquées à partir de plusieurs précurseurs tels que le polyacrylonitrile (PAN, qui est le principal précurseur), la poix, la rayonne, le polyester et le polyamide [85]. La figure 1.14 montre la structure de fibres de carbone fabriquées à base de PAN.
FIGURE1.14 – Structure 3D de fibres de carbone fabriquées à base de PAN [86]
Ces fibres sont en général fabriquées sous la forme de filaments très longs et très fins dont le diamètre est de 10 µm environ. Ces filaments sont ensuite transformés en fils, mèches, tissus ou encore en mats. Le filage s’effectue par extrusion et sous de fortes contraintes mécaniques et sous de forts gradients de température. Une oxydation est ensuite réalisée à basse température afin de rendre le fil infusible pendant la pyrolyse avant de faire subir au fil des traitements thermiques à hautes températures (carbonisation entre 700 et 1800◦C). Enfin, un traitement de surface de type oxydation ou un film de résine polymérique
est appliqué pour améliorer la qualité de l’adhérence entre les fibres de carbone et la matrice [87]. Le tableau 1.7 montre les propriétés de quelques fibres de carbone fabriquées à base de PAN.
Fibre σtraction (GPa) E(GPa) Diamètre (µm) A (%) Densité (g/cm3) Conductivitéthermique (W.m-1.K-1) Résistivité électrique (Ω.cm) Tenax HTS40 4,3 240 7 1,8 1,77 10 1,6x10-3 Hextow AS4 4,47 231 7,1 1,8 1,79 6,83 1,7x10-3 Hextow IM10 6,96 303 4,4 2,1 1,79 6,14 1,3x10-3 Torayca T300 3,53 230 7 1,5 1,76 10,47 1,7x10-3 Torayca T700GC 4,9 240 7 1,8 1,8 - - Torayca M35J 4,7 343 5 1,4 1,75 39,06 1,1x10-3
1.3.2 Comportement mécanique
Les matériaux composites renforcés à base de fibres de carbone n’ont pas le même comportement mécanique que les composites à fibres de lin. Les composites à renforts unidirectionnels de carbone affichent un comportement linéaire jusqu’à la rupture lorsqu’ils sont soumis à des essais de traction dans le sens des fibres. Le comportement est donc de type élastique fragile. Il correspond au comportement des fibres de carbones seules. La figure 1.15 montre le comportement d’un composite carbone UD/époxy et un composite verre UD/époxy (comparé au comportement de l’acier). On y retrouve également la rigidité spécifique de ces matériaux rapportée à leurs masses volumiques. On voit bien que le composite carbone adopte un comportement linéaire (comme le verre) et possède des propriétés mécaniques les plus élevées.
FIGURE1.15 – Comportement mécanique de composites carbone et verre/époxy UD et 2D. (a) compor-
tement en traction, (b) rigidité spécifique [89]
Le même type de comportement a été trouvé dans [90] dans le cadre de la caractérisation des compo- sites carbone/PPS et carbone/nylon en traction (figure 1.16). L’endommagement est initié par une rupture des fibres suivie d’une fissuration transverse de la matrice, qui génère un faciès de rupture droit ou en escalier. Cet endommagement peut aussi être dû à une décohésion de l’interface fibre/matrice aboutis- sant à un faciès de rupture en peigne. Ces différents modes d’endommagement sont liés à la qualité de l’interface entre les fibres et la matrice.
Toutefois, d’après la littérature, s’il y a un facteur majeur qui modifie le comportement mécanique des composites carbone c’est l’orientation des fibres dans la matrice. Toubal et al. [91] ont travaillé sur la caractérisation d’un composite carbone/époxy avec différentes orientations 0◦, 90◦et 45◦. Ils ont montré
qu’avec une orientation de 45◦des fibres, les composites montraient un comportement non linéaire tandis
que pour les éprouvettes à 0◦ et 90◦ le comportement est bien élastique fragile. Ce comportement non
linéaire est synonyme, sous l’effet des sollicitations, d’une évolution continue d’un endommagement par microfissuration en premier lieu et ensuite par du délaminage. Notons que l’essai à 45◦est souvent
employé pour caractériser en cisaillement les matériaux.
1.3.3 Interface fibre/matrice
La performance finale d’un matériau composite ne dépend pas seulement des propriétés des fibres et de la matrice mais elle dépend aussi de la qualité de l’interface entre les fibres et la matrice. Une bonne
FIGURE1.16 – Réponse mécanique en traction de composites carbone/PPS et carbone/nylon [90]
adhérence interfaciale confère aux composites une bonne intégrité structurelle et un transfert de charge efficace de la fibre à la matrice.
Drzal et al. ont mené des investigations sur la relation entre les propriétés mécaniques de composites carbone/époxy et la résistance de l’adhésion interfaciale [92]. Trois composites à fibres de carbone (à base de PAN), dont deux ont subi des traitements de surface, ont été testés. Les traitements de surface ont pour but de renforcer la liaison entre les fibres et la matrice.
Les fibres du premier matériau n’ont pas subi de traitement de surface ; pour le second les fibres ont été traitées en surface (oxydation électrochimique) et pour le troisième matériau les fibres ont été traitées en surface et revêtues avec une couche d’époxy de 100 à 200 nm.
Après traitement de surface, il y a eu une importante amélioration de la contrainte de cisaillement interlaminaire. Le matériau dont les fibres n’ont pas été traitées ont montré un faible niveau d’adhérence tandis que celui dont les fibres ont subi un traitement de surface avec revêtement affiche un haut niveau d’adhésion en raison d’un meilleur transfert de contrainte entre la fibre et la matrice ; ce dernier a égale- ment indiqué une amélioration significative de la résistance et de la rigidité en flexion à cause du module élevé de l’interface qui a la capacité de supprimer la rupture interlaminaire. Selon leurs résultats, les valeurs de résistance (contrainte) étaient sensibles à l’adhérence de l’interface alors que les valeurs de module étaient relativement insensibles à la liaison interfaciale.