Nouvelles tendances d’hybridation

Ces dernières années, la majorité des études sur les composites hybrides avaient pour objectif d’augmenter la déformation à rupture et diminuer les coûts de fabrication, notam-ment en remplaçant les fibres de carbone par d’autres fibres moins coûteuses. Malgré les nombreuses études, les améliorations n’étaient pas aussi significatives qu’attendues. C’est pourquoi, la tendance est plutôt de trouver un équilibre entre les propriétés mécaniques et le coût. De fait, il existe quelques axes majeures de recherches tels que : la pseudo-ductilité, les fibres ductiles ou encore l’hybridation par les fibres naturelles.

La pseudo-ductilité

La pseudo-ductilité désigne le phénomène qui permet à un matériau initialement “fra-gile” de repousser sa limite à rupture en adoptant un comportement ductile s’apparentant ainsi à un métal.

Le postulat traditionnel affirme que les matériaux composites ont de très bonnes proprié-tés mécaniques tout en ayant de faibles densiproprié-tés mais aussi un comportement fragile. La pseudo-ductilité permet donc de contrôler ce comportement comme l’illustre la Figure I.32.

Figure I.32 – Courbes σ = f(ε) d’un stratifié (a) : standard, (b) : hybride, (c) : hybride pseudo-ductile

Ce comportement n’est toutefois pas nouveau puisque [Bunsell et Harris, 1974]et [Man-ders et Bader, 1981] l’ont déjà décrit. Ce contrôle de la rupture passe par une amélioration du comportement des interfaces intra et inter-plis. En effet, ces chutes brusques d’effort sont généralement caractéristiques des délaminages et l’augmentation de la ténacité permet de continuer à charger le stratifié sans causer de chute brutale d’effort.

[Czél et Wisnom, 2013] a incorporé un pli d’unidirectionnel carbone/époxy de 29µm entre deux plis de verre/époxy plus épais. Cela permet au pli d’UD de multi-fissurer bien avant les plis de verre, plus résistants. Ce phénomène a aussi été observé par d’autres auteurs comme

[Jalalvand et al., 2014] qui a en plus proposé une modélisation par éléments finis. [Jones et Benedetto, 1994] et son équipe ont dispersé très finement des fibres de carbone avec des fibres de verre ou d’aramide. Une augmentation de 92% a été observée en ce qui concerne la déformation maximale. Cependant, il existe une proportion maximale de fibres de carbone pouvant être incorporée dans le stratifié ; au-delà de cette limite, on retrouve un stratifié hybride classique.

Ce phénomène peut être observé en tressant et en étirant des fils de carbone et d’aramide comme illustré sur laFigure I.33. L’explication avancée par l’ auteur de l’étude[Somboonsong

et al., 1998] est que les chemins d’effort sont modifiés à cause du tressage ; les fils rompus transfèrent leurs efforts aux fils adjacents, augmentant ainsi la résistance résiduelle de la structure.

Figure I.33 – Procédé de tressage et d’étirage [Lam, 2001]

Pour conclure, la pseudo-ductilité est donc un phénomène très subtile, qui demande une méthode de fabrication très précise, puisque cet effet n’est “visible” que si les taux d’hybri-dation sont maîtrisés. Comme l’ont montré les auteurs tels que [Bunsell et Harris, 1974], il existe une valeur critique pour que l’adhérence entre les fibres de différentes nature puisse perturber le chemin d’effort classique. Malgré cela, aucune étude n’a à ce jour montré une amélioration significative lors de chargements plus complexe que la traction, comme la fatigue ou l’impact.

Les fibres ductiles

Si on se place à l’échelle de la fibre, il peut être judicieux de travailler, non plus sur les “paquets de fibres” mais sur le choix des fibres. En effet, des auteurs se sont mis à mélanger des fibres fragiles avec des fibres plus “ductiles” (Figure I.34). L’objectif étant tout d’abord d’augmenter la déformation à rupture globale, mais cela peut aussi s’avérer intéressant dans des cas d’absorption d’énergie. Les fibres “fragiles” utilisées sont dans la plupart des cas des fibres de carbone. À ces fibres, sont ajoutées d’autres fibres :

— Les fibres métalliques [G.Callens et al., 2014] [Thysen, 2013]

— Les fibres de PolyPropylène (PP) [Swolfs et al., 2013] [Swolfs et al., 2014]

— Les fibres de PolyEthylène (PE) [Peijs et al., 1990]

— Les fibres de PolyVinyl d’Alcool (PVA) [Pegoretti et al., 2004]

— Les fibres de Coco [Jayabal et al., 2011] [Pavithran et al., 1991] [Tran et al., 2013]

— Les fibres de Soie [Khanam et al., 2010]

Figure I.34 – Courbe E = f(εrupture) pour une large gamme de fibres polymères et métalliques

[Tang et al., 2018]

Le mélange de fibres de verre et de fibres de PVA permet d’obtenir de meilleures propriétés en traction. L’amélioration obtenue est toutefois assez limitée, puisqu’elle est de 30% tout au plus comparé à un stratifié constitué uniquement de fibres de verre.

Cet effet hybride n’est que de 18% concernant les hybrides carbone/PP. L’auteur explique que les fibres de carbone cassent de façon brutale et ne sont donc pas “protégées” par les fibres de PP. La seule amélioration avec du PP a été observée par [Swolfs et al., 2014]. Cela est dû au procédé de fabrication : le stratifié est fabriqué en co-tressant les bandes de PP avec le prépreg de carbone au lieu de les draper les uns à la suite des autres. Avec cette méthode, la ductilité des fibres de PP est maintenue et évite donc de libérer toute l’énergie contenue dans les fibres de carbone. De plus, comme pour la pseudo-ductilité, le taux de dispersion est important puisque la ductilité des fibres de PP reste inchangée à condition de maintenir un taux de fibres de carbone assez bas.

Les travaux présentés précédemment contiennent au moins des fibres fragiles. D’autres se sont intéressés à des hybrides en combinant deux types de fibres ductiles comme [Cuyper, 2012] qui mélange des fibres d’acier trempé avec un stratifié déjà renforcé. Les résultats montrent que pour une déformation donnée, la contrainte de traction est augmentée. L’auteur affirme que cela est dû à une différence très importante entre les coefficients de Poisson des deux matériaux. Cela a pour conséquence de créer un état de contrainte bi-axial et augmente donc la contrainte de traction à iso-déformation.