Constituants

La matrice maintient les fibres entre elles en jouant le rôle de liant dans le composite. Elle assure également le transfert de charge entre les renforts, tout en les maintenant dans leur position et leur orientation. Enfin, elle protège le composite des agressions extérieures et donne la forme désirée au produit final. Pour obtenir des caractéristiques d’imprégnation plus élevées, la résine doit, dans sa configuration finale, occuper tous les espaces inter-fibres et présenter le moins de bulles d’air possible. Pour réaliser cette imprégnation, la viscosité de la résine est diminuée avec un apport thermique.

Pour la matrice, d’après [Chatain 01], quasiment tous les plastiques ont été introduits avec plus ou moins de succès. Ainsi, on peut citer les principales matrices plastiques : polyesters insaturés, vinylesters, polyépoxydes, polyuréthannes, formophénoliques, silicones, bismaléimides et enfin matrices thermoplastiques. Ces dernières s’opposent aux matrices thermodurcissables qui deviennent solides avec un cycle thermique approprié. Les métaux et les céramiques peuvent également être utilisés en tant que matrice.

La réaction chimique permettant de passer de l’état liquide à solide nécessite une température d’activation. Il existe deux types de résine :les thermodurcissables et les thermoplastiques. Ces deux types se distinguent par le niveau d’énergie des liaisons créées : le faible niveau énergétique des liaisons créées au sein des thermoplastiques autorise la réversibilité de la structure polymère et donc le recyclage alors que les thermodurcissables présentent une réaction de réticulation irréversible. Les résines thermoplastiques sont économiquement intéressantes mais leurs propriétés mécaniques et thermomécaniques sont faibles. Ces résines thermoplastiques sont essentiellement utilisées pour les composites GD, mais actuellement, des développements sont en cours pour proposer de telles résines pour les composites HP. Parmi les résines thermodurcissables, les plus utilisées sont les résines polyesters. Les bonnes propriétés mécaniques (tableau 1.1) des résines époxydes sont à l’origine de leur très large utilisation pour les composites HP.

La résine polyépoxyde (souvent appelée “époxyde” ou “époxy”) est une résine thermodurcis- sable. A la différence des bi-composants, celle-ci contient le durcisseur mais la réaction de transfor- mation chimique est bloquée grâce à des additifs et une température basse.

CHAPITRE 1. CONTEXTE : OPTIMISATION DE PROCÉDÉS D’ÉLABORATION DES COMPOSITES

Masse volumique 1100 à 1500 kg/m3

Module d’élasticité en traction 3 à 5 GPa Contrainte à la rupture en traction 60 à 80 MPa Contrainte à la rupture en flexion 100 à 150 MPa Résistance au cisaillement 30 à 50 MPa Allongement à la rupture en traction 2,5% Coefficient de dilatation thermique entre 40 et 80.10−6 °C−1

Conductivité thermique 0,188 W/m/°C

Les résines époxydes présente un ensemble de bonnes performances (légèreté, résistance). Toutefois, pour bénéficier réellement de ces performances, il est nécessaire d’avoir des heures de transformation et surtout de cuisson très longues (de plusieurs heures à plusieurs dizaines d’heures).

Parmi les avantages de ces résines, nous retiendrons :

– de bonnes propriétés mécaniques (en traction, en flexion, en compression, en choc, en fluage, etc.) ;

– une bonne tenue aux températures élevées : jusqu’à 150°C à 190°C en continu ; – une excellente résistance chimique ;

– un faible retrait au moulage (de 0,5 à 1 %) ; – une très bonne mouillabilité des renforts ;

– une excellente adhérence aux matériaux métalliques. Parmi les inconvénients, nous citerons :

– un temps de polymérisation long ; – un coût élevé ;

– une sensibilité à la fissuration.

Pour notre étude, nous avons utilisé une seule résine époxyde : la résine RTM6® produite par la société Hexcel.

1.2.3.2 Les renforts

Pour les renforts, sont employés des bobines de fils de longueurs variées (longs, broyés ou courts) ou encore des structures de fibres comme des tissus (taffetas, satins, serges), des nappes de fibres unidirectionnelles (en abrégé UD) ou encore des tresses, des tricots ou enfin des tissus 3D. . .. En résumé, le domaine des renforts s’appuie sur les productions de l’industrie textile. Par définition, les fibres se distinguent des fils par leur aspect discontinu.

Les fibres de renforts les plus courantes :

– fibres de verre issues de l’industrie verrière, il s’agit du renfort le plus courant,

– fibres decarbone obtenues par la pyrolyse de matière organique, le plus utilisé est le PolyAcry- loNitrile (PAN),

– fibres de polyamide aromatique ou aramide particulièrement connue sous l’appellation com- merciale Kevlar®,

– autres fibres : bore, carbure de silicium et trichytes (connus sous le nom deWhiskers). Ces autres fibres ont de très hautes tenues thermomécaniques.

Il existe toute une variété de fibres de carbone que l’on peut classer selon trois types principaux : – fibres à haute résistance (fibre HR),

– fibres à haut module (fibre HM), 6

1.2. LES MATÉRIAUX COMPOSITES

– fibres à module intermédiaire (fibre IM).

Les renforts apportent aux matériaux composites leurs performances mécaniques (rigidité et ré- sistance à la rupture) et une partie de leurs propriétés thermiques, électriques et chimiques tout en offrant un gain de masse avantageux vis-à-vis des métaux.

Caractéristiques mécaniques et thermiques Les caractéristiques mécaniques des trois types de fibres les plus répandus dans le domaine des composites hautes performances sont synthétisées dans le tableau 1.2. Ces caractéristiques varient d’un fabricant à l’autre ((1) et (2) dans le tableau 1.2).Les fibres de carbone restent la référence pour les renforts à fibres continues même si leur coût demeure relativement élevé par rapport aux autres fibres. Elles possèdent d’excellentes propriétés en traction et compression tout en alliant une faible densité. Les fibres de verre sont très utilisées dans les composites de grande diffusion pour leur excellent rapport performances mécaniques/prix, même si leurs propriétés mécaniques restent faibles par rapport aux fibres de carbone. Les propriétés mécaniques de ces fibres se dégradent fortement avec l’humidité. Enfin, les fibres d’aramide possèdent des propriétés mécaniques relativement similaires à celles des fibres de carbone pour une densité légèrement inférieure (1,5) mais surtout pour un prix 3 à 5 fois inférieur.

Fibres de carbone

Caractéristiques HR IM HM Verre Aramide

(1) (2) (1) (2) Caractéristiques en traction :

Résistance à la rupture ... (GPa) 3,5 4,5 7,2 2,5 4,2 4,5 3,6 Module d’élasticité ... (GPa) 240 250 300 500 500 73 125 Allongement à la rupture (%) 1,5 1,8 1,6 0,5 0,7 5 2,9 Masse volumique ... (g/cm3) 1,8 1,8 1,8 1,95 1,95 2,5 1,44

Tab. 1.2 – Caractéristiques mécaniques principales des fibres de renfort [Vacher 04]

Propriétés thermiques Une caractéristique importante des fibres est leur coefficient de dilatation négatif ou quasi nul dans le sens axial (tableau 1.3). Cette propriété peut être bénéfique ou nuisible selon le type d’application. Associées à une matrice à coefficient de dilatation positif, ces fibres vont avoir tendance à créer des contraintes thermomécaniques néfastes au niveau des interfaces. En utilisant des arrangements de fibres judicieux, il est possible en théorie, de fabriquer des matériaux présentant une dilatation nulle.

Caractéristiques Carbone Verre Aramide αT (10−6.°C−1) -0,2 à -1,2 2 -5,2

kT(W.m−1°C−1) 84 1,2 0,04

Cp (KJ.kg.°C−1) 0,71 0,84 0,34

Tab. 1.3 – Caractéristiques thermiques des principales fibres de renfort (issues de plusieurs tables de propriétés physiques)

1.2.3.3 Les différents types d’architecture

Les fibres utilisées possèdent un diamètre très faible de l’ordre de quelques micromètres. Elles sont une dizaine de fois plus petites que les fibres optiques des télécommunications qui ont un diamètre

CHAPITRE 1. CONTEXTE : OPTIMISATION DE PROCÉDÉS D’ÉLABORATION DES COMPOSITES

de l’ordre de 125 micromètres. Pour simplifier la manipulation des fibres, des semi-produits dans les- quels plusieurs milliers de fibres sont placées côte à côte, selon des directions connues, sont utilisés. Cette orientation peut être réalisée à partir de différentes architectures (Figure 1.1) : les unidirec- tionnels (UD), les bidirectionnels (tissé, tressé. . .) ou les renforts multi-axiaux. Les renforts sont donc commercialisés sous forme de nappes qui peuvent être imprégnées de résine (pré-imprégnées) ou non (nappes sèches) en fonction du procédé d’élaboration choisi. Les unidirectionnels (UD) présentent des

Fig. 1.1 – Différents type de renforts de fibres

performances mécaniques qui dépendent du type de renforts (verre, carbone. . .) et autorisent des solli- citations uniquement dans la direction des fibres. Les fibres peuvent se présenter sous forme de bobine ou peuvent être reliées par un fil fin (nappes UD). A partir de ces nappes, des séquences d’empile- ments sont élaborées en fonction des propriétés mécaniques attendues. Il s’agit de l’étape dudrapage des plis. Notons que les pré-imprégnés, produits semi-finis qui fournissent actuellement les meilleures performances mécaniques, sont élaborés à partir d’unidirectionnels. Actuellement, les coûts de mani- pulation et de conservation des unidirectionnels pré-imprégnés conduisent à l’utilisation de renforts multidirectionnels. Les multidirectionnels présentent des arrangements de fibres dans au moins deux directions (tissus figure 1.1). Ils peuvent également être munis d’un renfort dans la direction trans- verse (tissus 3D figure 1.1). Le plus courant est le mat qui se présente sous forme de fibres placées aléatoirement dans l’espace. La structure ne présente pas de direction préférentielle (comportement isotrope). Les propriétés mécaniques sont moyennes. Il est utilisé pour des structures non travaillantes. Les tissus permettent de répondre aux économies de manipulation mais également au renfort dans les directions transverses par couture d’empilement de tissus 2D ou tissage 3D. Ils permettent une bonne mise en forme du renfort puisque la structure autorise une déformation en cisaillement (nécessaire au drapage) sans détérioration. Ils peuvent être imprégnés ou non et sont caractérisés par une ondulation des mèches appelée embuvage. Ce phénomène provoque un désalignement des directions principales et donc une réduction des propriétés mécaniques. Pour répondre à ce problème, de nouveaux renforts multiaxiaux ont été développés.

1.2. LES MATÉRIAUX COMPOSITES 1.2.3.4 Description des matériaux employés

Lors des travaux de cette thèse, nous avons utilisé deux matériaux : les pré-imprégnés unidirec- tionnels de carbone et les nappes unidirectionnelles sèches de carbone avec un fil de trame produits tous les deux par la société Hexcel. Les premiers ont été utilisés pour réaliser des plaques de composite sous presse chauffante. Ils ont été utiles pour réaliser des éprouvettes et également pour l’observation microscopique de l’environnement de la fibre optique. Les seconds ont été employés principalement pour le suivi du procédé de fabrication LRI (Liquid Resin Infusion, voir paragraphe 1.3.3.3). Le fil de trame les rend aisément manipulables par rapport à des tissus sans trame.