Introduction

Matériaux composites
MEC620
Introduction
Anh Dung NGÔ – Daniel Poirier
Les matériaux composites
Définition:
C’est un matériau qui est formé de différents matériaux
constituants (matrice, renforts, charges, …) et qui possède
des propriétés différentes des matériaux qui le compose.
Par effet de synergie, l’ensemble des éléments constructifs
crée un matériau unique dont les propriétés sont
intimement liées aux éléments qui le composes.
Note:
Dans le cadre de ce cours seuls les composites à matrices polymériques
seront étudiés.
Les matériaux constituants
La matrice
La matrice (aussi appelé résine)
a pour rôles d’enrober les
renforts produisant le lien entre
ceux-ci. Elle transmet les efforts
aux fibres et les répartit dans les
différentes directions. De plus,
la matrice protège les fibres des
agressions extérieures et permet
l’obtention de la forme désirée
par un procédé de moulage.
Les sortes de matrices
Polyesters insaturés :
La matrice de polyesters insaturés est la plus utilisée dans
l’industrie à cause de son faible coût. On utilise le système
accélérateur/catalyseur afin de polymériser la résine. Cette résine
s’apprête bien aux procédés de moulage mais possède un retrait
élevé.
Vinylesters :
Tout comme avec les polyesters, on emploie les systèmes
catalytiques pour la polymérisation de la matrice. Celle-ci possède
des propriétés mécaniques supérieures aux polyesters mais
inférieures aux époxydes. Elle est applicable à presque tous les
procédés de moulage.
Les sortes de matrices (suite)
Polyuréthanes :
L’utilisation de deux composantes (polyol et isocyanate) très
réactives permet des cycles de fabrication très courts. Les
polyuréthanes sont reconnues pour leur résistance aux impacts mais
demande un investissement d’outillage important (RRIM, SRIM).
Les renforts
Les renforts ont comme
principal rôle de donner la
résistance mécanique des pièces
étant donné qu’ils possèdent des
propriétés mécaniques
supérieures par rapport à celles
des matrices.
Les matériaux de renforts
Fibres de verre: E, D, A, C, R, S, S2, ECR
Fibres de carbone: haute tenacité (HT) et haut module (HM)
Fibres aramide: Kevlar™
Fibres de bore ou silicium
Feutre: Coremat™
Panneaux nid d’abeille: papier, Nomex™, fibre de verre, aluminium,
thermoplastique, ...
Panneaux de mousse: PVC, polyuréthane, ...
Panneaux de bois: Balsa
...
Les matériaux de renforts
Fibre de verre
Les matériaux de renforts
Carbone :
Les fibres de carbone sont obtenues à partir des
précurseurs sous forme de filament. Les fibres utilisées
sont les fibres acryliques d’origine poly acrylonitrile (PAN)
ou les fibres élaborées à partir du brai (Pitch). Les fibres
sont oxydées à chaud (300 °C), puis chauffés à 1500 °C
dans une atmosphère d’azote (carbonisation). Le module
d’élasticité élevé est obtenu par filage à chaud
(graphitation). Les fibres de carbone contiennent environ
95 % de carbone tandis que les fibres de graphite en
contiennent près de 99 %. Le prix des fibres de carbone
est plus élevé que celui des fibres de verre.
Les formes de renforts
Les formes de renforts
Statifil ou « Roving » : Le statifil ou « roving » est formé d’un ensemble
de fils de base. On désigne habituellement les statifils par leur masse
linéaire [tex = g/km]. Les valeurs courantes sont: 600, 1200, 2400, 4800 et
9600 tex.
Utilisation: statifil à brin unique: enroulement filamentaire, pultrusion
statifil multibrins: moulage par projection
statifil bouclé: pultrusion ou tissage spéciale
Fibres coupées ou broyées : Les fibres coupées ou broyées sont des fils de
base coupées en différente longueur ou broyées sous forme de nodule ou
de poudre fine. On désigne habituellement les fibres coupées par la
longueur des fibres. Les valeurs courantes les fibres coupées sont: 1.5, 3,
4.5, 6, 13, 25 et 50 mm.
Utilisation: renforcement de prémix thermodurcissables, de résine de
coulée et de mastics
Les formes de renforts
Mats à fils coupés et à filaments continus : Les mats à fils coupés sont
constitués de fils de base coupées (fibre de verre) et lié chimiquement.
Tandis que les mats à filaments continus sont des fibres continus
(habituellemnt verre E) disposées sous forme de boucles, réparties en
nappes et lié chimiquement. On désigne habituellement les mats par leur
masse surfacique [g/m², oz/pi²]. Les valeurs courantes pour les mats sont:
300, 450 et 600 g/m² ou 1, 1½ et 2 oz/pi²
Utilisation: mat à fil coupés: moulage contact; mat à filaments continus:
moulage par injection, par compression, sous vide et pultrusion
Préforme :
Les préformes sont obtenus par une technique qui permet d’obtenir des
formes plus complexes. Ainsi, des fibres coupées sont projetées et
aspirées sur un écran perforé (moule mâle de la forme voulu) puis lié
chimiquement.
Les formes de renforts
Mat ou voile de surface : Les mats de surface ou voile sont des feutres
fortement liés et calandrés présentant une très bonne tenue. Ils sont
fabriqués de fibres organiques ou inorganiques. La masse surfacique
courante pour les mats de surface est comprise entre 20 et 80 g/m².
Utilisation: moulage contact, enroulement filamentaire, pultrusion, …
Tissé : Les tissés se présente principalement sous trois formes d’armure:
la toile ou taffetas, le satin et le sergé. Les toiles sont constitués de fils de
chaîne (sens de la longueur) et de trame (sens de la largeur) entrecroisé
alternativement. Les satin (4 ou 8) sont tissé de façon à se qu’un fil de
chaîne flotte ou dessus de plusieurs (n-1) fil de trame. Les sergés on un
mode de tissage qui a pour effet de produire des nervure de gauche à
droite en montant. Ces armure peuvent se présenté sous plusieurs types
(verre, carbone, aramide, hybride, ...). On désigne normalement les tissés
par leur masse surfacique [g/m², oz/vg²].
Utilisation: moulage contact, ...
Les formes de renforts
Non-tissé : Les non-tissé se présente sous deux formes d’armure: le haut
module et l’unidirectionnelle. Le haut module est fait de deux nappes de
fils superposés sans aucun entrecroisement des fils les constituant, sont
réunies par une chaîne et par un trame en fils fins, n’intervenant
pratiquement pas dans les performances du tissu proprement dit.
L’unidirectionnelle tant qu’à lui est fait de fils parallèles de chaîne ou de
trame réunis respectivement par des fils fins en trame ou en chaîne
n’intervenant pratiquement pas dans les performances du tissu
proprement dit. Tout comme les tissés, les non-tissé peuvent se présenté
sous plusieurs type et se désigne par leur masse surfacique [g/m², oz/vg²].
Utilisation: moulage contact, …
Complexe mat-tissu: Les complexes mat-tissu sont des composés de mat
et de tissus lié soit chimiquement, soit mécaniquement par couture. De
par leur déformabilité limité, leur utilisation est restreinte à de pièce
plane ou très peu développable.
Les formes de renforts
Matériaux de centre ou « core » : Les matériaux de centre sont utilisé en
apoint pour augmenté l’épaisseur des pièces sans toutefois en augmenter
de beaucoup la masse. De cette façon, l’obtention de pièce plus rigide est
possible. Les noyaux en mousse ou en bois sont souvent désignés par
leur masse volumique et leur épaisseur. Dans le cas des panneaux nid
d’abeille, ils sont définis par l’épaisseur et les caractéristiques des
alvéoles.
Les charges et additifs
Les charges et additifs ont
principalement comme rôle de donner
des propriétés particulières aux
matériaux composites. Ainsi, ils
servent à attribuer la couleur, à
réduire le coût, à facilité le démoulage,
à changer les propriétés (abaissement
du poids, stabilité dimensionnelle,
résistance au feu, conductibilité
thermique ou électrique, etc.), ...
On définit arbitrairement les charges et les
additifs avec les quantités que l ’on utilise:
•plus petit que 5% massique on dit que c’est un
additif
• plus grand que 5% massique on dit que c’est
une charge
Les procédés de mise en forme
Moulage contact
Le moulage contact ou “ hand lay-up ” consiste à imprégner
les renforts (fibres) avec la matrice (résine) à l’aide d’outils à
laminer dans un moule ouvert. Le moule est préalablement
enduit d’agent démoulant et une couche de gelcoat est
appliqué afin d’obtenir un meilleur fini de surface sur la pièce.
Moulage contact
Moulage contact
Particularité:
Taux de renfort: 25 à 45 % massique (mat 20 à 35
% et tissus 40 à 55 %)
Aspect de surface: 1 seul beau côté fini (le côté face
au moule)
Type de série: Petite (moins de 1 000 pièces)
Grandeur des pièces: pratiquement illimité en
grandeur
Applications typiques:
anti-corrosion, bateau, bâtiment, industriel,
outillage, transport, ...
Moulage sous-vide
Moulage sous-vide
Le moulage sous vide consiste construire un laminé soit
par voie humide (moulage contact) soit par le biais de
préimprégnés (renfort imprégné de la matrice) ou
"prepregs ” puis ensuite de faire un sac sur la pièce puis en
tirer le vide afin d’obtenir un meilleur débulage et un taux
de renfort supérieure.
Moulage sous-vide
Particularité:
Taux de renfort: 30 à 60 % massique
Aspect de surface: 1 beau côté fini, l’autre assez
bien
Type de série: Moyenne (moins de 5 000 pièces)
Grandeur des pièces: jusqu’à 15 m²
Applications typiques: aéronautique, aérospatial,
industriel, récréatif, ...
Moulage par projection
Moulage par projection
Le moulage par projection ou “ spray-up ” consiste à
projeter des renforts en fibres courtes (fibres de verre) et
la matrice (résine) simultanément dans un moule ouvert
préalablement enduit d’agent démoulant à l’aide d’une
machine à projection. Par la suite, il faut imprégner les
renforts de la matrice à l’aide d’outils à laminé.
Moulage par projection
Particularité:
Taux de renfort: 25 à 35 % massique
Aspect de surface: 1 seul beau côté fini (le côté face
au moule)
Type de série: Petite (moins de 1 000 pièces)
Grandeur des pièces: assez grande
Applications typiques: bateau, bâtiment, industriel,
transport, ...
Moulage RTM
Moulage RTM
Le moulage par injection de résine ou “ Resin Transfert
Molding ” consiste à injecter la matrice (résine) à l’intérieur
d’un moule (mâle/femelle) fermé ou les renforts sont
préalablement placer. L’injection de la résine se fait
habituellement à de basse pression de l’ordre de 0,3 MPa.
Moulage RTM
Particularité:
Taux de renfort: 25 à 35 % massique
Aspect de surface: 2 beaux côtés finis (moule
mâle/femelle)
Type de série: Moyenne(de 500 à 5 000 pièces)
Grandeur des pièces: jusqu’à 5 m²
Applications typiques: industriel, récréatif, transport, ...
Enroulement filamentaire
Enroulement filamentaire
La mise en forme par enroulement filamentaire ou “ filament
winding ” consiste à enrouler les renforts imprégnés de la
matrice sur un mandrin. Généralement, l’enroulement se fait
par mouvement linéaire du groupe de fibre sur le mandrin en
rotation (bobinage circonférentiel et hélicoïdale). Ce procédé
permet de fabriquer des pièces cylindriques ou cylindroconiques.
Enroulement filamentaire
Particularité:
Taux de renfort: 50 à 75 % massique
Aspect de surface: 1 beau côté fini (face intérieure)
Grandeur des pièces: jusqu’à 5 m de diamètre
Applications typiques: aérospatial, anti-corrosion,
industriel, militaire, récréatif,
transport, ...
Pultrusion
Pultrusion
Le moulage par pultrusion consiste à tirer les renforts
imprégné de la matrice à l’intérieur d’un mandrin (filière) qui
est chauffé où se déroule le processus de polymérisation. Ce
procédé en continu permet la fabrication de pièce à profile
plus ou moins complexe où la majorité des renforts sont dans
l’axe.
Pultrusion
Particularité:
Taux de renfort: 30 à 75 % massique
Aspect de surface: beau fini sur surfaces en contact
avec la filière
Type de série: plus de 5 000 mètre
Grandeur des pièces: jusqu’à 0,3 m de diamètre
Applications typiques: anti-corrosion, bâtiments,
électrique, industriel, récréatif, ...
Moulage sous presse
Moulage sous presse
Le moulage sous presse consiste à placer les renforts et la
matrice sous forme de pâte (BMC: Bulk Molding Compound)
ou sous forme de feuille (SMC: Sheet Molding Compound) à
l’intérieur d’un moule mâle/femelle fermé et chauffé. Le
matériel se disperse et cure à l’intérieure du moule par l’effet
de la pression et de la chaleur.
Moulage sous presse
Particularité:
Taux de renfort: 25 à 50 % massique
Aspect de surface: 2 beaux côtés finis (moule
mâle/femelle)
Type de série: Grande (plus de 10 000 pièces)
Grandeur des pièces: jusqu’à 3 m²
Applications typiques: électrique, industriel, transport, ...
Moulage RRIM
Le moulage par réaction avec renfort ou “ Renforced Reaction
Injection Molding (RRIM) ” consiste à injecter la matrice
(résine polyuréthane) chargé de renforts (fibres courtes ou
broyées) à l’intérieur d’un moule mâle/femelle fermé. Dans le
cas du SRIM “ Structural Reaction Injection Molding ”, les
renforts sont préalablement placer à l’intérieure du moule.
Moulage RRIM
Particularité:
Aspect de surface: 2 beaux côtés finis (moule
mâle/femelle)
Type de série: Grande (plus de 10 000
pièces)
Applications typiques:
transport, ...