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SYS-857 Matériaux composites Chapitre 1- Introduction A2013 Anh Dung NGÔ Page 1 C H A P I T R E 1 I N T R O D U C T I O N 1.1 Définitions Les matériaux utilisés dans les structures peuvent être classifiés en quatre catégories : métaux, polymères, céramiques et composites. Figure 1.1 [Ashby] Un composite est un matériau qui diffère des matériaux macroscopiquement homogènes habituels comme les métaux et les polymères. Il comprend des fibres continues ou coupées d’un matériau résistant (renfort) qui sont noyées dans une matrice dont la résistance mécanique est beaucoup plus faible. Il existe plusieurs types d’arrangement de fibres. Le rôle de la matrice est double : elle conserve la disposition des fibres et leur transmet les sollicitations auxquelles est soumise la pièce. Un composite est très hétérogène et fortement anisotrope. Les renforts se présentent généralement sous diverses formes : linéique, surfacique et structures multidirectionnelles. Formes linéiques : Une fibre (diamètre environ de 10 µm) est trop petite pour l’utilisation unitaire. On trouve en général, des fils ou mèches qui sont assemblés à partir de plusieurs fibres. L’unité de masse linéique est le tex (1 tex = 1 g/km).

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cours de materiaux compositesniveau universty

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  • SYS-857 Matriaux composites Chapitre 1- Introduction A2013

    Anh Dung NG Page 1

    CHAPITRE 1

    INTRODUCTION

    1.1 Dfinitions Les matriaux utiliss dans les structures peuvent tre classifis en quatre catgories : mtaux, polymres, cramiques et composites.

    Figure 1.1 [Ashby]

    Un composite est un matriau qui diffre des matriaux macroscopiquement homognes habituels comme les mtaux et les polymres. Il comprend des fibres continues ou coupes dun matriau rsistant (renfort) qui sont noyes dans une matrice dont la rsistance mcanique est beaucoup plus faible. Il existe plusieurs types darrangement de fibres. Le rle de la matrice est double : elle conserve la disposition des fibres et leur transmet les sollicitations auxquelles est soumise la pice. Un composite est trs htrogne et fortement anisotrope. Les renforts se prsentent gnralement sous diverses formes : linique, surfacique et structures multidirectionnelles.

    Formes liniques : Une fibre (diamtre environ de 10 m) est trop petite pour lutilisation unitaire. On trouve en gnral, des fils ou mches qui sont assembls partir de plusieurs fibres. Lunit de masse linique est le tex (1 tex = 1 g/km).

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    Figure 1.2 [Gay]

    Formes surfaciques : o Tissus et rubans :

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    Figure 1.3 [Gay]

    o Mats : Ce sont des nappes de fils continus ou coups, disposs dans un plan suivant une direction alatoire. Ils sont maintenus ensemble par un liant. Le mat est isotrope cause de labsence dorientation prfrentielle des fibres.

    Structures multidimensionnelles :

    o Tresses et prformes :

    Figure 1.4 [Berthelot]

    o Tissus multidirectionnels :

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    Figure 1.5 [Berthelot]

    Note : Les renforts peuvent galement sarranger sous formes hybrides (mlange de fils continus et les fils coups) afin daugmenter la rsistance du composite.

    1.2 Fibres

    Verre : Les filaments sont obtenus par filage de verre en fusion travers des filires en alliage de platine. On trouve gnralement deux types commercialement disponibles : E et S.

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    (a)

    (b)

    Figure 1.6 Procds de fabrication des fibres de verre : (a) tirage mcanique ou silionne;

    (b) tirage pneumatique ou verrane [Berthelot]

    Carbone : Les fibres de carbone sont obtenues partir des prcurseurs sous forme de filament. Les fibres utilises sont les fibres acryliques dorigine poly acrylonitrile (PAN) ou les fibres labores partir du brai (Pitch). Les fibres sont oxydes chaud (300 C), puis chauffs 1500 C dans une atmosphre dazote (carbonisation). Le module dlasticit lev est obtenu par filage chaud (graphitation). Les fibres de carbone contiennent environ 95 % de carbone tandis que les fibres de graphite en contiennent prs de 99 %. Le prix des fibres de carbone est plus lev que celui des fibres de verre.

    Aramide (Kevlar) : plus lgres que les fibres de verre.

    Bore : filaments de tungstne

    Carbure de silicium : utilis dans les composites mtalliques.

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    Tableau 1.1 [Gibson]

    1.3 Nids dabeilles Carton imprgn, tissus de verre imprgn, aluminium, papier Nomex. Nids dabeilles : ces matriaux sont utiliss dans les structures sandwiches o le rapport rigidit en lexion / poids est un facteur important.

    Figure 1.7 [Gibson]

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    1.4 Matrice Rsines :

    o Thermodurcissables : polyester, phnoliques, mlamines, silicones, polyurthannes, poxydes, etc.

    o Thermoplastiques : polypropylne (PP), polysulfure de phnylne (PPS), polyamide (PA), polyther-ther-ctone (PEEK).

    Minraux : carbure de silicium, carbone. Mtaux : alliages daluminium, de titane, etc.

    Tab

    leau

    1.2

    Pr

    opri

    ts

    phy

    siqu

    es d

    es r

    sin

    es [G

    ay]

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    1.4 Charges Charges renforantes :

    o Sphriques (10

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    Figure 1.8 [Gay]

    Les composites ne plastifient pas. Les composites sont affects par la chaleur et par

    lhumidit. Ils ne se corrodent pas sauf en cas de contact entre laluminium et les fibres de carbone. Ils sont insensibles aux produits chimiques (graisses, huiles, etc.) et ont une tenue aux impacts et aux chocs infrieure celle des mtaux.

    Figure 1.9 [Gay]

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    1.6 Procds de fabrication 1.6.1 Moulage au contact

    Figure 1.10 [Gay]

    1.6.2 Moulage sous vide

    Figure 1.11 [Gay]

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    1.6.3 Moulage par compression

    Figure 1.12 [Gay]

    1.6.4 Moulage par injection de pr-imprgn (Injection Molding)

    Figure 1.13 [Gay]

    1.6.5 Moulage par injection de mousse

    Figure 1.14 [Gay]

    1.6.6 Enroulement filamentaire

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    Figure 1.15 [Gay] 1.6.7 Formage de profil

    Figure 1.16 [Gay]

    1.6.8 Formage par estampage (thermoplastiques)

    Figure 1.17 [Gay]

    1.7 Applications Aronautiques Automobiles Construction quipements sportifs

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    Figure 1.18 [Gibson]

    Figure 1.19 Pices aronautiques en composites [Gay]

    Figure 1.20 Pices aronautiques en sandwiches [Gay]

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    1.8 tude de comportements mcaniques des composites 1.8.1 Micromcanique : Le comportement de la couche lmentaire (pli ou monocouche) partir des proprits mcaniques intrinsques des matriaux constituants ainsi que leur proportion volumique constituent lobjectif principal de la micromcanique.

    Fibre

    Figure 1.21

    1.8.2 Macromcanique : Cette discipline vise tablir les relations entre les contraintes et les dformations dabord au niveau du pli lmentaire et extrapoler des composites comportant plusieurs plis lmentaires disposs de faon quelconque les uns par rapport aux autres (stratifi ou multicouche).

    2h

    hN

    Figure 1.22

    OChapitre 1OIntroduction1.1 DfinitionsFigure 1.2 [Gay]

    1.2 Fibres1.3 Nids dabeilles1.4 Matrice1.4 Charges1.5 Additifs1.6 Procds de fabrication1.6.1 Moulage au contact1.6.2 Moulage sous vide

    1.7 Applications1.8 tude de comportements mcaniques des composites1.8.1 Micromcanique :1.8.2 Macromcanique :