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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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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
Les composites
Etat actuel
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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
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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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
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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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
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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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
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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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
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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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
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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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
Présentation commercialeFibres sèches continues, coupées
mats
tissus taffetas, sergés, unidirectionnels
tricot
tresses
préimprégnés
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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
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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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
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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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
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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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
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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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
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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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
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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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
- 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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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
Composites à matrice organiqueMoulage au contact
moule
Tissu sec
Voile de surfacerésineTissu imprégné
Rouleau débulleur
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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
Moulage au sac à vide
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RTM
Injection de résine
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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
Enroulement filamentaire
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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
Enroulement filamentaire en continu
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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
Moulage par injection de prémix ou de matspréimprégnés
compounds
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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
Composites à matrice métallique
Imprégnation sous pression d ’une préformefibreuse par le métal liquide
frittage
métallurgie des poudres
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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
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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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
Composites à matrice céramiques
Voie solide
techniques de barbotines
voie liquide
produit intermédiaire d ’imprégnation
traitement de pyrolyse céramique
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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
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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Laboratoire de Génie MécaniqueLaboratoire de Génie Mécanique
Composites à matrice carbone
Imprégnation de brai ou de résines
infiltration gazeuse, cracking de méthane danspréforme de renforts