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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique

Les matériaux composites

LGM Bordeaux Roland HARRY

Etat actuel

fibres, matrices, propriétés

Mise en œuvre

Conception composites

Avancées technologiques, perspectives

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Les composites

Etat actuel

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Introduction• Association de deux constituants afin

d ’obtenir un accroissement de certainespropriétés par rapport aux matériaux debase– une matrice– un renfort fibreux, lamellaire ou granulaire

Hétérogénéité

Anisotropie

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Généralités: deux grandes familles• Grande diffusion

– optimisation des coûts– verre polyester , mats, tissus– fibres longues, courtes– Moulage au contact, S-RIM, SMC, injection

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Généralités: deux grandes familles

• hautes performances– recherche de performances– utilisations à hautes valeurs ajoutées– drapage autoclave, enroulement filamentaire,

RTM– beaucoup de procédés encore manuels– CMM, CMC

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Fibres

• Verre E– E = 74 Gpa ; σR = 2500 Mpa ; εR = 3,5% ; d = 2,5

• sensible  à l ’eau et à l ’humidité• bonne tenue en température jusqu ’à 300°C• bonne tenue à l ’impact et en fatigue

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FibresKevlar

E = 130 Gpa ; σR = 2900 Mpa ; εR = 2,3% ; d = 1,45

structure anisotropemauvaise résistance à la compression et au cisaillementsensible aux efforts transversereprise d ’humidité (4% )usinage difficilebonne tenue en température jusqu ’à 200°Cdilatation thermique nulle ou négativeadhérence avec les résines

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FibresCarbone HM ; HR

E = 390 Gpa ; σR = 2500 Mpa ; εR = 0,6% ; d = 1,8E = 230 Gpa ; σR = 3200 Mpa ; εR = 1,3% ; d = 1,75

structure anisotropebonnes propriétés généralestenue en température limitée à 350°C en atmosphère oxydantefaible résistance aux chocsusinage aiséprix encore élevé

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Propriétés spécifiques des renforts P/densité

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0 50 100 150 200 250 300 350

Modules d'élasticité spécifiques GPa

Rés

istan

ces sp

écifiq

ues en

traction

MPa

verre

aramide

carbone standard

bore et carbure

carbone modules intermédiaires

carbone haut module

carbone très haut module

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Présentation commercialeFibres sèches continues, coupées

mats

tissus taffetas, sergés, unidirectionnels

tricot

tresses

préimprégnés

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Fibres céramiques

SiliceE = 70 Gpa ; σR = 3000 Mpa ; εR = 0,7% ; d = 2,2

Alumine E = 380 Gpa ; σR = 1380 Mpa ; εR = 0,7% ; d = 3,9

Carbure de siliciumE = 450 Gpa ; σR = 4000 Mpa ; εR = 0,7% ; d = 3,4

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Autres renforts

• Fibres naturelles, chanvres

• Polyéthylène– E = 100 Gpa ; σR = 3000 Mpa ; d = 0,96

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DistributeursFrance

Torayca-Soficar

Akso

Vetrotex

Owens Corning Fiberglass

Hexcel

Autres

Hercules, Du Pont de Nemours, Nippon Carbon

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Matrices

• Rôles– transmission des efforts aux fibres– lien et maintien des fibres

• Familles– organiques (thermodurcissables, thermoplastiques– réfractaires (céramiques, verre, carbone)– métalliques

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Matrices thermodurcissables

• Polyester• Epoxyde: bonnes propriétés mécaniques, retrait,

adhésive, corrosion,• vinylester• phénolique : bonne tenue à la chaleur, cassant• polyimides (thermostable)• élastomère (silicone)

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Matrices thermoplastiques

• PEEK: bonnes propriétés mécanique, miseen œuvre délicate

• PEI: mise en œuvre facile, mauvais aux UV

• PSU: bien aux chocs, tenue chimique, aufeu, stabilité thermique, coût élevé

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DistributeursFrance

Hexcel

Gazechim Composites

Cray Valley

Elf Atochem

CIBA

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Matrice réfractaireVerre: léger, relativement facile à mettre en œuvre, faible rigidité

céramique, SiC, Al2O3 coût élevé, applications en température

carbone coût élevé

voie liquide

voie gazeuse

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Matrice métalliqueRigidité et résistance mécanique élevées

fragilisation par le renforcement fibreux

bon comportement à haute température

densité élevée

mise en œuvre difficile

matériaux utilisés

Aluminium

Titane

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Propriétés spécifiques decomposites à matrice époxyde

SPECIFIC CHARACTERISTICS

Alu-T3Alu-T6

Steel

E-glass

Kevlar 49Boron

T-300

STAIM-6

GY-70

HMA

Appolo

M55J

T-800HIMS

0

500

1000

1500

2000

2500

0 50 100 150 200 250

Specific elastic modulus El, GPa

Sp

ecif

ic te

nsi

le s

tren

gth

, MP

a

Unidirectionnels

50% en volume defibres

σR/densité

E/densité

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0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7

volume fraction fiber, in absolute value

Long

itudi

nal M

odul

us, G

Pa

Influence de la fraction volumique de fibres

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Vf = 60% UDverre

UDcarbone

UDkevlar

Tissuverre

Tissucarbone

Masse vol kg/m3 2100 1530 1350σR traction Mpa long 1250 1270 1410 400 420σR comp Mpa long 600 1130 280 390 360σR traction Mpa trans 35 42 28 400 420σR comp Mpa trans 141 141 141 390 360σR cisaillement MPa 63 63 45 55E long GPa 45 134 85 20 54E trans GPa 12 7 5.6 20 54G cisaillement GPa 4.5 4.2 2.1 2.85 4α long 10-6 5 -1.2 -4 0.5α trans 10-6 18 34 58 0.5

Quelques caractéristiques mécaniques

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Les stratifiésPrédiction du comportement du stratifié à partir de laconnaissance du pli de base : théorie des stratifiés

raideur

résistance

endommagement de premier pli

rupture ultime

Optimisation de la stratification en fonction des cas decharges

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Intérêts inconvénients des CMO- Avec 60% de fbres en volume caractéristiques mécaniqueséquivalentes voire supérieures à des aciers hautes résistancespour une masse volumique 4 fois plus faible

- peu sensibles au phénomène de fatigue

- Emploi à des températures limitées (300°C max)

- vieillisement sous l ’effet de la chaleur, des UV et del ’humidité

- propriétés transverses faibles, nécessité de stratifier au depensdes performances max

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Intérêts inconvénients des CMM

- élimine en grande partie les inconvénients des matièresplastiques (propriétés transverses, utilisation limitée entempérature), CMM jusqu ’à 500-600°C

- difficultés d ’ordre technologique

procédés d ’élaboration complexes

difficulté pour imprégné*er certaines fibres minérales

réaction chimique avec la matrice aux dépens despropriétés

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Intérêts inconvénients descomposites réfractaires

-problèmes des composites à matrice minérale (verre ou céramique)

compatibilité chimique et des coefficients de dilatation entrefibres et matrice

résistance à l ’oxydation à l ’air

évolution des caractéristiques mécaniques avec latempérature

tenue au cyclage et au choc thermique

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- avantages des composites à matrice céramique

très légers

résistance mécanique bonne jusqu ’à 1500°C

excellente stabilité chimique en milieu neutre ouréducteur

bon comportement à l ’ablation et à la friction

bio-compatibles

- inconvénients

oxydation à l ’air pour les C/C même à bassetempérature

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Les composites

Mise en œuvre

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Composites à matrice organiqueMoulage au contact

moule

Tissu sec

Voile de surfacerésineTissu imprégné

Rouleau débulleur

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Moulage au sac à vide

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RTM

Injection de résine

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Enroulement filamentaire

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Enroulement filamentaire en continu

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Moulage par injection de prémix ou de matspréimprégnés

compounds

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Composites à matrice métallique

Imprégnation sous pression d ’une préformefibreuse par le métal liquide

frittage

métallurgie des poudres

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Composites à matrice verre

Immersion des fibres dans une barbotine de verre

étuvage de la pièce pour éliminer le liant organique

densification par haute température sous atmosphère inerte

pressage à chaud

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Composites à matrice céramiques

Voie solide

techniques de barbotines

voie liquide

produit intermédiaire d ’imprégnation

traitement de pyrolyse céramique

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Composites à matrice céramiques

Voie gazeuse

CVD dépôt chimique en phase vapeur

CVI dépôt par infiltration dans la préforme de renforts

procédé long > 100 heures

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Composites à matrice carbone

Imprégnation de brai ou de résines

infiltration gazeuse, cracking de méthane danspréforme de renforts