Critères de choix des matériaux d’âme

La réalisation d’un matériau sandwich nécessite le choix d’une résine, d’un renfort, et d’un matériau d’âme, comme expliqué dans le chapitre 2 de cette partie. Le choix de ces matériaux doit d’abord être fait dans l’objectif d’une masse minimale associée à des contraintes mécaniques demandées, puis en tenant compte des conditions environnementales tels que la température, le degré d’humidité, l’ambiance corrosive et autres, les possibilités de maintenance (facilité d’inspections et de réparations éventuelles) et surtout le prix de la matière première.

En effet d’après (BINÉTRUY , 2008), il y a plusieurs critères de sélection pour l’âme, à savoir :  Drapabilité / courbure : pour des applications bien définies, comme c’est le cas de ce projet, l’âme sandwich doit posséder l’aptitude à être drapé sur une surface courbe, sans affecter ses propriétés mécaniques en service. La très grande flexibilité constitue un atout pour ce type de matériaux permettant de réaliser des rayons de courbure variables et d’augmenter par conséquent le champ d’applications. La mise en œuvre de l’âme sera plus facile si le rayon de courbure augmente. Des âmes sous formes de petits blocs assemblés et liés entre eux par une trame de verre peut alors être envisagé.

 Résistance au cisaillement : dans le cadre de l’utilisation de mousses, la résistance au cisaillement et la raideur de la structure sandwich peuvent être améliorées en augmentant la densité du matériau d’âme. Un compromis pourra alors être trouvé dans le choix du matériau entre de bonnes propriétés mécaniques et la masse ;

 Résistance en flexion : il est possible d’augmenter le moment quadratique et la résistance en flexion, en augmentant la distance entre les deux peaux du sandwich, c’est-à-dire en augmentant l’épaisseur de l’âme. Il s’agit d’exploiter le théorème de Huygens. Néanmoins, cette solution a pour limite la masse et les dimensions qui ont été fixées pour le composite désiré. Un compromis devra alors être trouvé dans le choix du matériau d’âme, entre les propriétés en flexion de celui-ci, son prix, et les dimensions de la structure composite ;

 Résistance au choc : cette propriété est liée en partie à l’absorption d’énergie de l’âme. Celle-ci peut être améliorée en augmentant la densité du matériau la constituant, avec l’augmentation de la masse pour une contrainte maximale donnée. Cependant, le matériau en lui-même peut apporter des différences substantielles. Ainsi, une âme en mousse et une structure en nid d’abeille présenteront des comportements différents. L’âme en mousse diffuse l’énergie liée au choc au sein du panneau sandwich en l’absorbant dans sa structure cellulaire. C’est pourquoi les mousses d’origine

thermoplastique, ainsi que les mousses thermodurcissables flexibles ont une bonne capacité d’absorption aux chocs. Dans un nid d’abeille, les parois transfèrent l’énergie perpendiculairement d’une face à l’autre, risquant de générer ainsi des fissures au niveau de la face opposée ;

 Résistance à la compression : les contraintes maximales en compression doivent être prises en compte dans le choix du matériau d’âme. Elles sont en effet totalement transférées à celui-ci. Par exemple, les nids d’abeille permettent d’atteindre des contraintes de compression élevées, perpendiculaires aux panneaux. Mais leur forte anisotropie est défavorable dans le cas de pièces subissant des charges hydrostatiques. Elles peuvent se rompre si les sollicitations en compression se font suivant plusieurs directions. Pour certaines applications, une combinaison mousse-nid d’abeille s’avère alors intéressante ;

 Résistance au pelage : elle représente la propriété d’adhésion entre la peau et l’âme. Une résistance au pelage insuffisante peut conduire au délaminage des peaux et causer des ruptures catastrophiques. Usuellement, dans les structures collées possédant des âmes en mousse, les forces d’adhésion du joint de colle entre les peaux et l’âme sont supérieures à la force de cisaillement de celle-ci. Là encore, cette propriété dépend largement du matériau constitutif de l’âme, plutôt que de la forme ou des dimensions données à celle-ci;  Absorption de l’eau : l’absorption d’eau dans les âmes constituant les structures sandwich peut conduire à des diminutions significatives des propriétés mécaniques. Ainsi, certains matériaux voient leur résistance à la compression chuter de façon significative après une courte période d’exposition à l’eau et ce, à température ambiante. En service normal, il peut arriver que l’évaporation d’un liquide (eau, solvant...) entraîne un délaminage des peaux du composite. L’utilisation d’une âme sensible à l’humidité devient alors particulièrement critique. On note également qu’une âme sera d’autant moins sensible à l’humidité que sa densité sera élevée ;

 Isolation : les isolations thermique et phonique sont nécessaires pour certaines applications. C’est le cas notamment dans le domaine des transports, où l’allégement des structures et l’amortissement des vibrations sont également requis. Grâce à leur structure cellulaire, beaucoup de mousses permettent d’obtenir de bonnes propriétés isolantes, tandis que les nids d’abeille fournissent des résultats moins concluants. Par conséquent, lorsqu’une application nécessite d’avoir de bonnes caractéristiques en isolation thermique ou acoustique, les panneaux sandwich à âmes en mousse sont souvent choisis comme solution. Il est aisé de constater que, pour une application précise, seuls quelques matériaux d’âmes, parmi tous ceux qui sont disponibles, peuvent effectivement convenir et répondre aux attentes fixées.

Pour résumer, les propriétés mécaniques de la structure globale ainsi que l’allégement de celle-ci restent les principaux critères intervenant dans le choix des constituants, et notamment dans celui de l’âme du matériau sandwich (ZENKERT, 1995). Néanmoins, le coût de production et d’achat, ainsi que la durabilité, doivent également être pris en compte.

De façon générale, lorsque le ratio propriété mécanique sur masse est le seul objectif, les matériaux sandwich avec âme en structure nid d’abeille sont les plus intéressants, entre autres en raison de leur prix plus faible. À l’inverse, dès que des caractéristiques particulières seront recherchées, il faudra recourir préférentiellement à une mousse.