Matériaux composite à matrice céramique et fibre d`os

Sarah Roca-Labarre
ARTICLE BIBLIOGRAPHIQUE DE RECHERCHE
Séminaire de recherche R7 Matériaux pour l’éco-conception
Enseignants : Ledda Dimitriadi, Robert Leroy
Matériaux composite à matrice céramique et
fibre d’os
SOMMAIRE :
PARTIE I : LE CHOIX DU MATERIAU ETUDIÉ
1. Valorisation des sous-produits alimentaires
2. Propriétés mécaniques et chimiques de l'os
PARTIE II : MATERIAU COMPOSITE A BASE D'OS
1. Type d’utilisation de la matière première
2. Choix de la matrice du composite
3. Comportement du matériaux imaginé
PARTIE III : UN COMPOSITE A MATRICE CERAMIQUE ET FIBRE D'OS
PARTIE 1 :QU'EST CE QU'UNE CERAMIQUE ?
a. Généralités
b. Composition du matériau
c. Caractéristiques
PARTIE 2 : TRAITEMENT DE LA MATRICE CÉRAMIQUE DANS LA PHASE
D'EXPERIMENTATION
1. procédé classique
2. Risques dues à la cuisson
PARTIE IV LE NOUVEAU COMPOSITE ENVISAGÉ
1. Pourquoi une fibre naturelle ?
2. Conclusion
BIBLIOGRAPHIE
Dans la rubrique Design du numéro d'Architecture d'Aujourd'hui de septembre
paraît un article sur Felipe Ribon. Ce jeune designer se met à son compte
après huit ans passés chez les frères Bouroullec et lance un nouveaux projet
intitulé S.OS. "Avant l'eau, il y avait l'os bovin, déchet de l'industrie
agro-alimentaire dont on ne sait plus que faire, alors qu'autrefois de nombreux
artisans savaient le travailler". Felipe Ribon propose une série de couverts
taillés dans l'os de boeuf.
Cet article m'a ouvert à de nombreuses questions, si ce matériaux oublié
détient des qualités suffisantes pour être utilisé comme couvert pourquoi ne
pas davantage se pencher sur le sujet ?
PARTIE I : LE CHOIX DU MATERIAU ETUDIÉ
1. VALORISATION DES SOUS PRODUITS ALIMENTAIRES
L'os de boeuf est considéré comme un déchet une fois la bête abattue et la
viande récoltée, c'est donc un sous produit alimentaire qui peut être valorisé. "
Par valorisation on entend toute transformation de résidus ou de sous
produits industriels alimentaires en vue de les réintroduire sur le marché à
titre de nouveaux ingrédients ou comme nouveaux produits. Ce procédé
pourrait s'avéré économiquement bénéfique pour les entreprises, en effet elle
n'aurait plus à dépenser pour retraiter leur déchets mais pour générer un
nouveaux produit qui apporterait des revenus supplémentaires.
Nombreux sont les sous produits qui peuvent être utilisés dans les industries
non alimentaires : les os de boeuf notamment. On estime la production
annuelle d'os a 600.000 tonnes par an après traitement les os ont
essentiellement deux destinations :
-la fabrication de gélatine
-la transformation en farine d'os
L'intérêt de la farine d'os est sa richesse en matière minérale (34% de
phosphate de calcium, 4% de carbonate de calcium) source sénat.fr
Mais on se servait également de l'os en extrayant sa gélatine pour en faire
des colles dans l'ébénisterie et le travail du bois. Le collagène contenu permet
de fixer après évaporation de l'eau. source wikipédia.fr
Donc c'est un matériaux qui pourrait être très intéressant dans
l'éco-conception, mais à présent quelles sont les réelles qualités et propriétés
de l'os ?
2. Propriétés mécaniques et chimiques de l'os :
- 106N/m2
- contrainte à la rupture en compression 150MPa (os cortical) 1 à 7 MPa (os
spongieux)
- module d'élasticité Young : 18000 à 20000 MPa (os cortical) 70 à 80 MPa
(spongieux)
- conductivité thermique non répertoriée
Propriétés chimiques :
70% de minéraux (phosphate de calcium de structure apatitique) le rapport en
calcium et phosphore dépend du type cortical ou spongieux de l'os et de son
âge.
valeurs moyennes :
-35,5% calcium
-18,5% phosphore
donc rapport Ca/P : 1.61
Les 30% restant sont des matières organiques en majorité du collagène de
type I.
définitions :
- os cortical : paroi externe des os qui leur confère rigidité et élasticité. Un
squelette est composé de 90% d'os cortical.
PARTIE II : MATERIAU COMPOSITE A BASE D'OS
1. TYPE D'UTILISATION DE LA MATIÈRE PREMIÈRE
Je recherche un état dans lequel je puisse optimisé l'utilisation de ce
matériau, les matières organiques comme le collagène qui ont des propriétés
très intéressantes notamment dans la constituant de bio polymères
cependant ils ne représentent que 30% de l'os et seraient très difficiles à
mettre en oeuvre en phase d'expérimentation à l'école. C'est pourquoi j'ai
choisis de travailler sur les propriétés mécaniques et minérales de l'os.
L'os bovin ne peut pas être utilisé tel quel comme matériaux de construction,
mais il pourrait être utilisé comme fibre de renfort dans un matériau
composite.
Un composite est constitué de deux matériaux pour allier leur capacités et
arrivé à un matériaux à forte résistance mécanique.
Il y a le renfort et la matrice.
-Le renfort constitue le squelette, une ossature sur laquelle va s'exercer la
contraintes mécanique, son rôle est d'améliorer la solidité du matériaux.
-La matrice est l'enveloppe autour du squelette, elle va repartir les efforts
mécanique dans le matériau le plus uniformément possible, elle assure la
cohésion du matériau, donne une forme, peut protéger de l'extérieur
(corrosion etc...).
2. CHOIX DE MATRICE DU COMPOSITE
Le renfort du composite serait donc la fibre d'os, pour la matrice il me vient
l'idée d'un matériau qui est déjà utilisé comme matrice dans d'autres thèse : la
céramique. D'une part l'incorporation des fibres est simple et le nouveaux
matériau aurait pour moi de bonnes applications :
-une nouvelle brique en céramique plus résistante pour création de double
peau.
-créer une céramique avec de bonnes propriétés isolante (de base) et une
amélioration des propriétés mécaniques pour une utilisation structurelle
Bien sûr la fibre d'os pourrait avoir des application comme renfort dans
d'autres matériaux comme le béton, mais ici je pense que l'alliance des
propriétés de chacun est intéressante à expérimenter.
3. COMPORTEMENT DU MATÉRIAUX IMAGINÉ
L'idée est qu'on est une fibre permettant d'améliorer la contrainte à la rupture
du composite et la matrice qui protège ces fibres des agressions extérieures
et les tiennent comme un seul matériau. On pourrait ainsi allier les propriétés
mécaniques du matériaux dans une matrice. Après la fissuration de la matrice
la fibre prends le relais et peut encore supporter un chargement.
PARTIE III : UN COMPOSITE A MATRICE CERAMIQUE ET FIBRE D'OS
PARTIE 1 :QU'EST CE QU'UNE CERAMIQUE ?
a. Généralités
Le terme générique de céramique désigne l'ensemble des objets fabriqués en
terre cuite. (source www.sevresciteceramique.fr) C'est en fait la cuisson qui
provoque les transformations physico-chimiques irréversibles menant à un
matériau ayant perdu sa plasticité et qui n'est plus susceptible de
réhydratation : la céramique.
On peut dire qu'il y a trois étapes dans l'élaboration d'une céramique : la
poudre , la mise en forme, le traitement thermique.
b. Composition du matériau
Il y a de nombreux types de céramiques déjà présentes en fonction des
nombreuses utilisations. La base est toujours la même : une terre argileuse
qui est montée à forte température pour effectuer une réaction
physico-chimique irréversible. Ce matériau contient de l'argile, du quartz
(silice) et du feldspath (minéral).
Dans les céramiques traditionnelles ce sont des matériaux poreux a structure
bi-phasique : phase vitreuse (matrice) et phase cristalline (aiguilles
cristallisées). Le feldspath joue le rôle de fondant qui cimente les particules de
kaolin (argile) et de silice (quartz) et réduit la porosité. Les feldspath sont à
l'origine de la phase vitreuse.
En variant cette recette de base on peut varier les propriétés du matériau, les
niveaux de performances ainsi que l'aspect.
Nous avons aussi les céramiques techniques : à haute performances qui sont
un mélange d'argile et d'autres composés comme l'alumine, le carbure de
silicium, zircone, titane de baryum etc...
Il existe différents types de céramiques en fonction de leur composition :
-les céramo-métalliques
-les céramiques renforcées (fibres de renforcement)
-les vitro-céramiques
- les céramiques à base de structures biologiques phospho-calciques (os,
corail) mais elles ont une résistance mécanique faible à la flexion ou la
torsion.
c. caractéristiques
- Les céramiques ont une conductivité thermique très faible car elles n'ont pas
ou peu d'électrons libres.
- Les céramiques sont des matériaux très cassants, leur déformation plastique
est très faible.
C'est l'incorporation de la phase cristalline qui a permis une amélioration de la
dureté et de la résistance des céramiques par rapport à celles des verres. La
fracture de ces matériaux intervient par propagation de fissures, si on rajoute
des cristaux résistants dans la céramique il peuvent bloquer la propagation ou
au moins la ralentir.
PARTIE 2 : TRAITEMENT DE LA MATRICE CÉRAMIQUE DANS LA PHASE
D'EXPERIMENTATION
1. procédé classique :
La poudre et la mise en forme sont des étapes génériques simple à
comprendre et à choisir, durant ma phase d'expérimentation je pense choisir
une poudre classique facilement trouvable en commerce et une mise en
forme simple d'échantillon.
LE TRAITEMENT THERMIQUE : LE FRITTAGE
Le frittage est la consolidation sous l'éffet de température d'un agglomérat,
matériaux granulaire non cohésif. Les particules se soudant les unes aux
autres pour donner un solide mécaniquement cohésif, en général un
polycristal. Le terme de frittage regroupe quatre phénomènes qui se
développent parallèlement :
- consolidation : développement de ponts (ou cols, ou cous) qui soudent les
particules entres elles.
- densification : réduction de la porosité (en générale 40%de porosité), donc
contraction d'ensemble de la pièce (retrait de frittage).
- grossissement granulaire
- réaction physico-chimique au sein de la poudre, puis au sein du matériau en
cours de construction.
LE FRITTAGE EN PHASE LIQUIDE
Le liquide favorise les mouvements de matière par des phénomènes de
dissolution puis de réprécipitation.
Les céramiques sont des solides à liaison essentiellement iono-covalentes.
2. risques dues à la cuisson
Le plus difficile sera de gérer le retrait lors de la phase de densification du
frittage car selon l'étude de Eric Inghels dans sa thèse "Comportement
mécanique de composites à fibres et matrices céramiques" il apparaît que la
phase de retrait induit des nouvelles contraintes dans la céramique à cause
des fibres, il faut donc doser au plus juste la longueur des fibres et leurs
pourcentage dans le mélange pour qu'elles gênent le moins possible le retrait
de matière.
PARTIE IV LE NOUVEAU COMPOSITE ENVISAGÉ
1. Pourquoi une fibre naturelle ?
"Un matériau composite se définit comme un arrangement de fibres noyée
dans une matrice dont la résistance est beaucoup plus faible."
Il y a de nombreux types de fibres naturelles comme renfort de matériaux
composites :
- origine végétale (cellulosique)
- animale (protéinique)
- minérale (amiante)
Cette utilisation se justifie pour :
- valoriser une ressource locale
- développer des matériaux prenant en compte les impacts sur
l'environnement.
2. Conclusion
Pour le renforcement des céramiques la fibre naturelle d'os bovin présente
des propriétés mécaniques spécifiques importantes (bien que son élasticité
soit très faible). Il s'agit d'une ressource issue du recyclage, naturellement
bio-dégradable. Certaines thèses envisagent même des bio-composites
(association de biopolymère avec des fibres naturelles), le matériaux que
j'envisage se rapproche fortement des bio-composites (matrice à base de
minéraux naturels : quartz, argile et feldspath).
------------------------------------------------------------------------------------------------------BIBLIOGRAPHIE
LUS :
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supérieure des mines de paris. 1987
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- A. Kaflou, thèse du Comportement des interfaces et des interphases dans
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- J. Davidovits, Geopolymer Chemistry and Applications, Institut
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Techniques de l'ingénieur
NON LUS
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Toulouse, spécialité : Science des Matériaux, 1993
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6. V. Bousquet, M. Allard, P. Colombet, P.H. Flurin, " Utilisation d'un ciment
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SICOT Traineemeeting, Marseille, 1997
7. Christophe Baley , Fibres naturelles de renfort pour matériaux composites
8. John L. Provis et Jannie S. J. van Deventer, Geopolymers Structure,
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------------------------------------------------------------------------------------------------------ANNEXE