CHAPITRE II : COMPORTEMENT MECANIQUE DES STRATIFIES GF/PA6 ET
3 Introduction aux matériaux composites
3.1.1 Une définition des composites
Un matériau composite est élaboré à partir d’au moins deux matériaux non miscibles mais dont les propriétés d’adhésion sont fortes. Cet assemblage constitue le nouveau matériau dit composite. L’intérêt de cette association est d’obtenir un matériau qui possède des performances mécaniques supérieures à celles de ces constituants pris séparément. De manière classique, il se compose d’un squelette, appelé aussi renforts, à l’origine de la tenue mécanique. La cohésion de l’ensemble est assurée par l’intermédiaire d’une matrice. Cette enveloppe protectrice permet et facilite notamment un transfert de charges au sein du matériau et principalement entre les multiples renforts. L’élément où a lieu cette cohésion entre la matrice et les renforts est appelé l’interface. Afin de garantir une adhérence suffisante entre ces constituants, l’ajout d’un additif est bien souvent requis (ensimage). Enfin, d’un point de vue macroscopique, l’empilement périodique de n plis de composite est appelé stratifié. La Figure 35 représente un pli tissé. Il s’agit d’un cas particulier de composite, en lien avec les matériaux de cette étude à savoir le T700/PA66 et le GF/PA6.
Figure 35 – (a) Illustration des constituants d’un pli tissé composite et (b) représentation d’un stratifié tissé composé de n plis.
Le panel des types de matériaux composites existants est extrêmement large. Nous nous limitons ici à une présentation des composites à matrices organiques (CMO). Toutefois, il existe également des composites à matrice inorganique métallique (CMM) ou céramique (CMC). Cette famille de composite CMO domine de très loin la production des composites (>90%).
3.1.2 Les renforts
Le renfort, élément clef d'un matériau composite, peut se présenter sous de nombreuses formes : filaments courts (0.5 mm), fibres courtes, fibres longues, fibres continues ou encore sous la forme de particules (charges sous forme de microbilles, poudre etc.). Les fibres longues sont associées le plus souvent aux composites Hautes Performances (HP) tandis que les fibres courtes sont principalement utilisées pour les composites dits « Grande Diffusion » (GD). Les renforts peuvent être de différentes natures : organique (kevlar/polyaramide par exemple) et inorganique (verre/carbone par exemple). Leur
Romain HAMONOU – Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique – Ecole Centrale de Nantes 61 répartition, les épaisseurs et les orientations des fibres au sein du matériau dépendent des propriétés recherchées puisqu'ils vont par la suite assurer la bonne tenue du matériau lorsque celui-ci sera soumis à des contraintes mécaniques, selon les cas de chargement appliqués et flux d’efforts observés dans la pièce. Les principales architectures de renfort que l'on retrouve sont (Gay D. , 2015), (Berthelot, 2012), (Chawla, 2012) :
unidirectionnelle (nappe ou roving),
bidirectionnelle non texturée (mats) ou texturée (tissus), tridimensionnelle,
multidirectionnelle aléatoire (fibres broyées par exemple).
Les fibres de verre, de carbone ou d'aramide sont les renforts les plus courants.
Figure 36 - Différents types d'architecture de renfort : (a) unidirectionnelle, (b) bidirectionnelle, (c) tridimensionnelle et (d) multidirectionnelle (mat).
3.1.3 Les matrices organiques
Il existe des composites à matrices organiques ou inorganiques. Parmi les matrices organiques on distingue deux catégories :
les polymères cristallins ou semi cristallins (résines thermoplastiques), les polymères amorphes (résines thermodurcissables et élastomères).
Nous allons maintenant décrire plus en détail les deux types de résines les plus fréquemment utilisées à savoir, les résines thermoplastiques et les résines thermodurcissables (Gay D. , 2015).
(a) (b)
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3.1.3.1 Les résines thermodurcissables
Il s'agit des résines les plus employées comme matrices de matériaux composites "structuraux". Généralement associées à des fibres longues, elles sont mises en œuvre sous forme liquides ou liquides visqueuses et durcissent après un cycle de cuisson et de pression appelé cycle de réticulation. La transformation est irréversible. Les résines thermodurcissables principalement utilisées actuellement sont les polyesters insaturés, les vinylesters, les époxydes, les résines phénoliques et les polyuréthannes. Ces résines ont une bonne tenue mécanique mais elles sont notamment sensibles aux chocs. Afin d’améliorer la ténacité et la tenue aux chocs des résines thermodurcissables, un certain pourcentage de résine thermoplastique peut être incorporé (exemple : résine époxyde à ténacité améliorée par ajout de nodules thermoplastiques).
3.1.3.2 Les résines thermoplastiques
Les résines thermoplastiques sont quant à elles renforcées avec des fibres courtes et avec des fibres longues continues, elles se développent fortement mais sont encore peu utilisées comme matrice des composites "structuraux". Elles sont mises en forme par chauffage jusqu’à la température de transition vitreuse pour les thermoplastiques amorphes et jusqu’à la température de fusion pour les thermoplastiques semi-cristallins. Elles se consolident au cours du refroidissement. La transformation est réversible. Parmi les résines thermoplastiques utilisées dans les composites on peut citer les polyamides (PA), le polyéther-imide (PEI), le polypropylène (PP), le polyphénylsulfure (PPS), le polyéther-éther-cétone (PEEK), et le polyéther-cétone-cétone (PEKK).
Figure 37 – Organigramme des constituants des matériaux composites. Le fléchage rouge indique la catégorie de composites relative aux travaux de cette thèse, à savoir des composites thermoplastiques tissés sergés.
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3.2 Description des stratifiés de l’étude : le GF/PA6 et le T700/PA66
3.2.1 Les fibres de carbone T700
Les fibres T700 sont des fibres à haute résistance (HR). Suivant les conditions de fabrication, on distingue trois catégories de fibres de carbone : fibres haute résistance (HR), fibres à module intermédiaire (IM) et fibres à haut module (HM). Les fibres de carbone sont soumises à un traitement de surface afin d’augmenter leur rugosité ce qui améliore les propriétés d’adhérence fibre/matrice. Elles sont également soumises à un procédé d’ensimage textilo-plastique ayant pour but de faciliter l’accrochage de la matrice organique, la protection des fibres contre l’abrasion ainsi que l’agglomération des filaments (5,5 à 7 μm) constituant la dimension du fil de base. La fibre de carbone est isotrope transverse.
3.2.2 Les fibres de verre (GF)
Il s’agit du renfort principal des composites commerciaux. Les GF sont obtenues à partir de sable (silice) et d’additifs (alumine, carbonate de chaux, magnésie, oxyde de bore). Comme pour les fibres de carbone, on distingue trois types de fibres de verre : les fibres E, pour les composites de grande diffusion et des applications courantes, les fibres R pour les composites hautes performances et les fibres D pour des applications électroniques comme les circuits imprimés par exemple (propriétés diélectriques). Il s’agit d’un matériau isotrope.
Renforts Ø (μm) (kg.m-3) E11 (GPa) G12 (GPa) (%) (GPa)
GF (E) 16 2600 7.4 30 0.25 3.5 2.5
Carbone HR 6.5 1800 390 20 0.2 0.6 2.5 Tableau 3 – Propriétés des renforts des fibres de verre (GF type E) et de carbone (Type HR) (Gay D. , 2015). 3.2.3 Les matrices PA6 et PA66
La base de cette résine est un polyamide, polymère contenant des fonctions amides. Celui-ci résulte d'une réaction de polycondensation entre les fonctions acide carboxylique et amine. La famille des polyamides est très vaste c'est pourquoi il existe une classification détaillée. L'objectif ici n'est pas d'établir une classification approfondie sur le sujet mais en revanche de bien décrire les deux résines qui nous intéressent, en l'occurrence le PA6 et le PA66. La classification est la suivante, selon la composition de leur chaîne squelettique, les polyamides sont classés en aliphatiques, semi-aromatiques et aromatiques. Le PA6 et le PA66 sont des polyamides aliphatiques connus respectivement sous le nom de polycaprolactame et de polyhexaméthylène adipamide (Gay D. , 2015). La dénomination PA62 du premier polymère vient du fait de la présence de 6 carbones dans la structure du monomère tandis que dans le cas du PA663, on y note la présence de deux chaînes de 6 carbones.
2 PA6 : [NH─(CH2)5─CO]n
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