Description des matériaux étudiés

Dans la suite de la présentation, nous nous intéresserons uniquement aux composites Hautes Performances c'est à dire des composites à matrice thermodurcissable ou thermoplastique, utilisés dans l’industrie aéronautique.

I.2.1 Les constituants

Les performances mécaniques des composites fibreux sont directement liées aux caractéristiques mécaniques de leurs constituants : la matrice, les fibres mais aussi l’interface fibre-matrice.

La rigidité d’un composite est assurée principalement par les fibres qui possèdent des caractéristiques mécaniques beaucoup plus élevées que la matrice organique. Quant à la matrice, elle permet de donner la forme géométrique de la structure, d’assurer la cohésion de l’ensemble des fibres et les protège contre le milieu ambiant. Mais son rôle principal est de transférer les efforts mécaniques d’une fibre à l’autre. L’interface est la zone de transition entre les fibres et la matrice. Elle possède des caractéristiques chimiques et mécaniques différentes de celles des fibres et de la matrice.

Les possibilités de ces matériaux composites sont d’autant plus étendues qu'une large gamme de fibres et de matrices est disponible. Dans ce qui suit, nous présenterons rapidement quelques-uns des matériaux les plus couramment utilisés.

I.2.1.1 Les renforts

Les fibres ou les renforts, doivent assurer la bonne tenue mécanique des matériaux. Leurs caractéristiques doivent être les suivantes :

- caractéristiques mécaniques élevées en terme de rigidité et de résistance, - compatibilité physico-chimique élevée avec les matrices,

- facilité de mise en œuvre, - faible poids et coût.

Elles sont constituées de plusieurs centaines de filaments de 5 à 15 µm de diamètre. Les fibres les plus utilisées en aéronautique sont les fibres de carbone.

- Fibres de carbone

Etant dotées d'excellentes caractéristiques spécifiques et mécaniques, ces fibres se rencontrent principalement dans les structures composites fortement sollicitées. Leurs températures d’utilisation peuvent être importantes car leurs caractéristiques mécaniques augmentent jusqu’à 1100° C dans une atmosphère non oxydante. Cependant, leur utilisation est limitée car le coût de fabrication reste élevé. En effet, il est nécessaire de faire subir 4 traitements à des fibres élaborées à partir de Polyacrylonitrile (PAN : Obtenu par polymérisation du CH2CHCN) pour obtenir le produit désiré :

CH CH CH CH CH CH C CH CH C C CH2 CH2 O O C C CH CH C CH CH 1100°C carbonisation 300°C oxydation PAN + O2

Une oxydation à 300°C, suivie d’une carbonisation à 1100°C, permet d’obtenir une structure hexagonale d’atomes de carbone. Les fibres ainsi obtenues possèdent une bonne

résistance à la rupture et un module d’Young de l’ordre de 200 000 MPa, pour une densité de 1.75 : on les appelle fibres Haute Ténacité (HT).

Afin d’augmenter leur rigidité, on effectue une graphitation à 2600°C en atmosphère neutre, ce qui entraîne une réorientation des réseaux hexagonaux suivant l’axe de la fibre. Cependant, au cours de ce dernier traitement, apparaissent des défauts qui ont pour effet de diminuer sensiblement leur résistance à la rupture. Au terme de ce traitement, on obtient des fibres appelées Haut Module (HM) dont la rigidité peut atteindre 600 000 MPa. Au cours de la dernière étape, la rugosité des fibres est augmentée par un traitement de surface dans le but d'améliorer la liaison fibre résine.

Le précurseur PAN peut être remplacé par le précurseur brai. Pour ce dernier cas, on utilise au départ un brai que l’on purifie par différents traitements. Les deux procédés de fabrication des fibres donnent deux structures radiales très différentes. La plupart des fibres de brai possèdent une microstructure très orientée radialement et bien alignée axialement. Les fibres de PAN possèdent une microstructure dite de "peau d’oignon" qui est orientée de façon aléatoire. Les fibres de Brai sont donc très sensibles au cisaillement. Leur résistance en cisaillement est faible. Par contre, la microstructure des fibres PAN leur donne une haute résistance en cisaillement et une bonne tenue en compression. En compression, les fibres de PAN périssent en général par flexion et les fibres de brai en cisaillement.

- Autres fibres

Il existe sur le marché beaucoup d’autres fibres telles que : les fibres de verre, les polyamides-imides, les polyamides aromatiques et les phénoliques qui possèdent des caractéristiques mécaniques plus faibles. L'utilisation des phénoliques dans les applications thermiques (isolation, réservoir de carburant,...) est justifiée par un excellent comportement thermomécanique et leur caractère ininflammable.

- L'ensimage

Les fibres servant de renfort sont recouvertes d'un ensimage dont le rôle est le suivant : - favoriser l'agglomération des filaments constituant la mèche,

- protéger la fibre contre l'abrasion, - améliorer l'accrochage de la matrice,

- créer des liaisons chimiques avec la matrice,

- permettre une évolution moins brutale des propriétés mécaniques entre la fibre et la matrice,

- augmenter la résistance interlaminaire.

L'ensimage est réalisé à partir d'émulsions aqueuses ou de solution organique en phase solvant. Sa nature physique est choisie en fonction de la nature de la matrice.

I.2.1.2 Les résines

La matrice maintient les fibres dans leur direction principale, distribue les efforts entre les fibres, fournit une résistance à la propagation de fissures, et détermine toutes les propriétés de cisaillement du composite. Elle limite en général la température d’utilisation du composite. Il existe à l’heure actuelle, un grand nombre de résines pouvant servir de matrice aux matériaux composites. Les deux types de résines les plus couramment utilisées sont les résines thermodurcissables et thermoplastiques.

- Les résines thermodurcissables

Lorsque l'on soumet certains polymères constitués de substances organiques ou semi- organiques à une élévation de température, il se crée des réactions chimiques au cours desquelles les monomères s'associent pour former un réseau tridimensionnel rigide : cette réaction de polymérisation particulière est appelée réticulation. Le matériau final se présente sous la forme d'un corps solide et infusible. La polymérisation étant irréversible ces matériaux ne peuvent être mis en forme qu'une seule fois (non recyclable). En règle générale, ces résines possèdent une faible résistance à l'impact et une faible tenue en température.

Les quatre types de résines couramment utilisées dans l'industrie aérospatiale sont : les époxydes, les bismaléimides, les polyimides et les phénoliques.

Les époxydes sont les plus utilisées pour la fabrication de structures aéronautiques. Elles possèdent de bonnes propriétés thermomécaniques et d'adhésion avec la fibre. Leur facilité de traitement et de mise en oeuvre permet d'obtenir des coûts de fabrication acceptables. Cependant leur application est limitée par la température : 80°C à 120°C.

Les résines bismaléimides (BMI) offrent les mêmes avantages que les époxydes tels que par exemple de bonnes propriétés mécaniques. Leur température d'utilisation est plus élevée que celle des époxydes : 220°C. Malheureusement, elles sont fragiles et se caractérisent par une faible élongation à rupture.

Les résines Polyimides ont un procédé de fabrication différent des deux résines citées précédemment. Elles sont cuites par réaction de condensation. Ce procédé dégage des produits volatiles créant un risque de porosité dans le composites. Leur température d'utilisation est élevée : 250 à 300°C. Mais comme les résines BMI, les polyimides sont fragiles.

- Les résines thermoplastiques

Ce sont des matériaux semi-cristallins comportant une phase amorphe et une phase semi-critalline. Pour les matrices thermoplastiques, ce sont les forces de Van der Waals et les forces polaires qui assurent la cohésion de polymères linéaires ramifiés. Cette constitution physico-chimique de la matrice permet à tout moment de modifier la forme du composite en effectuant un simple chauffage au-dessus de la température de fusion, suivi d'un refroidissement entraînant la cristallisation de la matrice. Dans ce cas, le recyclage et la modification de forme sont envisageables. La réparation de structures en thermoplastique est plus aisée que pour les thermodurcissables. De plus, elles offrent un faible coût de stockage (annexe 1) et de fabrication.

Ces résines possèdent des caractéristiques mécaniques améliorées, une meilleure tenue à l'impact, une bonne stabilité en température... etc.

Parmi les résines thermoplastiques, on peut citer la résine PEEK (Polyéther-éther-cétone, la PPS (Polysulfure de phénylène ), la PEI (Polyéther imide) et la PA (Polyamide).

I.2.1.3 L’interface fibre-matrice

L'interface fibre-matrice peut être considérée comme un constituant du composite car elle possède des propriétés physiques et mécaniques différentes de celles de la fibre et de matrice. C'est l'interface fibre-matrice qui permet le transfert des charges de la matrice aux fibres. Un traitement de surface en deux temps est réalisé pour améliorer la qualité de l'interface :

- Création de groupes fonctionnels à la surface de la fibre permettant de réagir avec la matrice.

La nature de l'adhésion fibre-matrice est mécanique (rugosité) et/ou physique (interaction moléculaire ou atomique), et/ou chimique (liaisons).

I.2.2 Les semi-produits

Les fournisseurs de matériaux composites, afin de faciliter la fabrication de pièces, commercialisent différents types de semi-produits. Parmi les produits les plus courants on peut citer :

- les unidirectionnels,

- les tissus,

- les mats.

Ces produits peuvent être fournis imprégnés de résine ou sec.