Constituants d’une structure en sandwich

III.1.2.1 Les peaux

Généralement de faible épaisseur (quelques millimètres), les peaux sont réalisées de tout matériau pouvant être obtenu sous forme de couche. Les peaux des sandwich sont généralement constituées de fibres (mat ou tissu) enrobées d’une matrice à base de résine. Il existe plusieurs types de renfort parmi lesquels on trouve :

 Les fibres de verre, qui sont produites à partir du verre en fusion passant à travers des filières de 3 à 25 µm où il est refroidi. Les propriétés de ces fibres dépendent de la nature du verre (pourcentage d'oxydes métalliques) et peu de leur technique de fabrication ;  Les fibres de Kevlar ou aramide, qui sont produites par polymérisation de polyamides,

ayant des modules allant de 60 à 180 GPa et une masse volumique d’environ 1400 kg/m3. Ces fibres ont deux avantages particuliers, elles sont les moins denses et les plus résistantes à l'impact ;

 Les fibres de carbone, qui sont fabriquées à partir d'un précurseur (poly-acrylonitrile) qui est oxydé, carbonisé et graphité selon le type de fibre souhaité. Les fibres de carbone ont des modules qui varient de 150 à 1000 GPa et une masse volumique en général inférieure à 2000 kg/m3_{. Leur résistance à l'impact est mauvaise, d'autre part elles sont}

inflammables et conduisent l'électricité.

Le choix de la nature et la séquence des couches dépendront de l’usage auquel est destinée la structure sandwich. Considérées sans rigidité propre en cisaillement, les peaux ont pour but de reprendre les efforts de flexion traduits par des contraintes de traction ou de compression. III.1.2.2 L’âme

Légère, l’âme a en général une très faible résistance à la flexion. Son but est de reprendre les efforts de compression transverse et de cisaillement. Par ailleurs, l'âme doit pouvoir supporter des charges localisées de poinçonnement. Les âmes creuses, en particulier les nids d'abeilles, sont généralement utilisées pour leur masse volumique très faible. Elles ont des performances relativement élevées surtout dans la direction transversale mais ont un coût de fabrication relativement élevé. Les âmes pleines, telle que les mousses ou le balsa, permettent la réalisation des structures sandwich planes ou courbées avec un rapport performance-prix relativement élevé. Parmi les différents types d’âmes qui existent sur le marché on trouve :  Les mousses : ce sont les plus fréquemment utilisées, elles sont produites à partir de

polychlorure de vinyle, polystyrène, polyuréthane ou d'autres polymères synthétiques. Leur masse volumique varie de 25 à 300 kg/m3 et leur épaisseur de 3 à 40 mm. L’échantillonnage moyen est de 80 kg/m3 de masse volumique et 20 mm d’épaisseur (Figure I-9). Elles sont, pour la plupart, thermo-formables et permettent donc de réaliser des pièces de formes complexes. Leurs propriétés mécaniques sont bonnes et elles adhèrent bien à la résine et absorbent peu d'eau. Néanmoins leur point faible réside dans une faible résistance à l'impact.

 Le bois : il est utilisé pour sa très bonne résistance à la compression notamment pour les supports d'accastillage. Le balsa est la variété la plus courante car c’est la plus légère : 100 kg/m3 de masse volumique. Le bois est le matériau le moins cher, mais il est le plus poreux. Il est placé « bois debout » (fibres du bois verticales) de façon à proposer une résistance maximale en compression.

Figure I-10 : Eléments constitutifs d’un sandwich à âme pleine (bois).

 Le nid d'abeilles : c’est une structure hexagonale qui peut être réalisée en divers matériaux comme le papier, l'aluminium ou même en plastique polypropylène (PP). Ses caractéristiques mécaniques dépendent du matériau et de la taille des cellules. Sa masse volumique varie de 15 à 100 kg/m3 et son épaisseur de 3 à 50 mm. On peut le courber modérément mais les cellules se déforment et changent alors les propriétés mécaniques de l’ensemble selon leur orientation. Il existe néanmoins des structures en nid d’abeille drapables qui sont fabriquées sous forme de petits blocs, ce qui facilite leur mise en forme. Le collage peut aussi être un problème car il se réalise sur la tranche de la structure. La surface de collage est donc assez faible et la colle risque de s’écouler dans les alvéoles. Il faut alors positionner un film à l’interface. Les propriétés de ce type d’âme sont relativement correctes, mais son prix est élevé. Les variétés les plus courantes sont le Nomex et le Korex qui est fabriquée à partir de Kevlar.

Figure I-11 : Eléments constitutifs d’un sandwich à âme creuse (nid d’abeille). III.1.2.3 L’interface

L’assemblage de la structure sandwich peut être réalisé par collage, soudage ou brasage selon la nature des différents éléments. L’adhésif est un composant essentiel intervenant dans la fabrication d’un sandwich. Il permet un bon assemblage de la structure et la transmission des charges. Sa principale caractéristique mécanique est la résistance au cisaillement. Dans le cas de peaux en composites, l’insertion de cette troisième phase peut être évitée par l’utilisation d’une résine auto adhésive. Les adhésifs sont généralement des résines. Il existe différents types de résines :

 Les résines à base de polyester : elles sont surtout employées pour les stratifiés composites avec de la fibre de verre pour réaliser par coulée des objets opaques ou transparents. Elles sont constituées par de longues chaînes de monomères comprenant des groupes esters et des sites réactifs au carbone. L’inconvénient du polyester est la présence des groupements esters qui peuvent réagir avec les différents agents chimiques et ainsi rompre les réseaux constitués ;

 Les résines à base de vinylester : le terme vinylester désigne le plus souvent le produit de la dissolution du vinylester dans un solvant co-polymérisable, le plus utilisé étant le styrène. Les résines vinylester se rapprochent des résines polyesters par leur mode de polymérisation et leurs applications (qui sont aussi celles des résines époxydes). C’est pourquoi, la nouvelle appellation des résines Dow (premier producteur mondial) est à présent résines époxy vinylesters afin de bien accentuer les similitudes entre les familles des résines époxydes et vinylesters ;

 Les résines époxydes : Les résines époxydes possèdent de bonnes caractéristiques mécaniques. Le terme époxyde désigne une grande variété de pré-polymères comportant un ou plusieurs motifs époxydiques qui, après polycondensation avec un durcisseur, conduisant à des produits thermo-durcis dont les principales applications concernent le collage et les matériaux composites (matrice époxyde avec un renfort en fibres de verre ou de carbone). Il s’agit de produits performants qui entrent dans un très grand nombre d’applications, dont certaines sont d’un niveau technique incontestablement élevé :  Industrie aéronautique et automobile (collages de structures et de panneaux) ;  Électronique (enrobage de condensateurs, confection de circuits imprimés, etc) ;  Sport (ski, raquettes, arcs et flèches de compétition, cadres de vélos en carbone, roues

lenticulaires...) ;

 Outillages (modèles à reproduire, maîtres modèles, boîtes à noyaux, etc) ;

 _{Stratifiés et composites (nids d’abeilles, structures triangulaires, arbres de} transmission, carrosseries de voitures de sport...) ;

 Revêtements résistants aux agents chimiques, réparation de fissures de barrages, etc. III.1.2.4 Caractéristique géométrique des sandwich

Du fait de la fabrication des sandwich, les propriétés mécaniques sont adaptées en faisant varier la nature des peaux (identiques ou non), de l’âme et de l’épaisseur de chacune des phases. En règle générale, les peaux ont la même épaisseur ep et le rapport ep/ea (ea étant

l’épaisseur de l’âme) est compris entre 0,01 et 0,1 (Figure I-12). Les indices « p » et « a » se rapportant respectivement aux peaux et à l’âme. Lorsque les peaux sont d’épaisseur ou de nature différente, les indices complémentaires 1 et 2 sont utilisés pour les différencier (AFNOR NF T54-601, 1983). Pour les structures orthotropes (cas le plus fréquent), il y a lieu de distinguer les caractéristiques suivant les deux axes de symétrie, par exemple en attribuant les indices complémentaires « longi » et « trans ».

Figure I-12 : Schéma représentatif paramétré d'une structure sandwich.

Avec comme notations :

h Epaisseur totale de la structure sandwich (en mm)

ep Epaisseur d’une peau (en mm)

ea Epaisseur de l’âme (en mm)

b Largeur de l’éprouvette (en mm)

Ep Module d’Young d’une peau (en MPa)

Ea Module d’Young de l’âme (en MPa)

Ga Module de Coulomb de l’âme (en MPa)

νp Coefficient de Poisson des peaux

D Rigidité en flexion de la structure sandwich (en N.mm²) N Rigidité en cisaillement (en N)

σ Contraintes normales (en MPa)

τ Contraintes de cisaillement (en MPa)

Etant donné que la structure sandwich est utilisée le plus souvent pour sa légèreté, une caractéristique importante est la masse surfacique :

𝑚 = 2𝑒 𝜌 + (ℎ − 2𝑒 )𝜌 (1.9)

Avec : ρp et ρa respectivement les masses volumiques des matériaux constitutifs des peaux et

de l’âme.

D’après (ALLEN, 1969), les sandwich sont classés en trois catégories selon la valeur du rapport da/ep avec da la distance entre les axes neutres des peaux du sandwich :

 Pour un rapport da/ep inférieur à 5,77, le sandwich est dit à peaux épaisses ;

 Pour un rapport da/ep compris entre 5,77 et 100, le sandwich est dit à peaux fines ;

 Pour un rapport da/ep supérieur à 100, le sandwich est dit à peaux très fines.

Ces bornes sont définies par rapport à la contribution de chaque constituant vis-à-vis des rigidités globales en flexion et en cisaillement de la structure sandwich.