matériaux composites et structures composites (link is external)

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Matriaux composites et structures compositesEdit le 17/05/2011 Lionel GENDRE

Les matriaux composites permettent d'atteindre des niveaux de performances ingals. En effet, ils possdent une structure gomtrique spcialement conue pour leur confrer des proprits que leurs constituants lmentaires ne possdent pas individuellement, et leur permettre de remplir de nombreuses fonctions techniques. Pour tirer le meilleur parti de leurs capacits, les composites sont gnralement conus en mme temps que les pices qu'ils constituent. La frontire entre le produit et le matriau est donc plus floue qu'avec les matriaux traditionnels, ce qui implique de profonds changements dans la conception des produits industriels.1 - IntroductionLes matriaux composites suscitent un intrt croissant de la part de nombreux secteurs industriels, et leur emploi tend se gnraliser. Le transport arien en fournit certainement l'illustration la plus frappante : longtemps, les matriaux composites ont t utiliss en faibles quantits dans les avions de ligne (de l'ordre de 10% de la masse structurelle), et toujours sur des pices non vitales. Cependant l'A380 d'Airbus en contient 25%, le Dreamliner (787) de Boeing en contient 50%, et l'A350-XWB devrait son tour dpasser ce chiffre (figure 1). En outre, tous ces appareils utilisent dornavant les composites sur des structures vitales.

Figure 1 : Evolution de la proportion de composites dans les avions commerciaux (document Airbus).Cet engouement s'explique principalement par la faible masse volumique des composites qui, par ailleurs, possdent des proprits physico-chimiques intressantes (mcaniques, mais galement thermiques, chimiques...) ; cela permet un allgement considrable des structures qui entrane, dans le cas du transport arien, une rduction de la consommation de carburant et des missions de polluants. Le secteur aronautique n'est d'ailleurs pas le seul s'intresser de prs ces matriaux : l'industrie nautique, ferroviaire, spatiale, le btiment, les sports et loisirs fourmillent eux aussi de nouvelles applications (figure 2).

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Figure 2 : Quelques applications des matriaux composites : (a) un catamaran, (b) le support de la charge utile d'Ariane 5 (image [1]), (c) des skis de comptition (image de Thomas Grollier).Cependant, pour le concepteur, l'arrive de ces nouveaux matriaux reprsente un changement important, qui impacte profondment la conception et la ralisation des produits industriels. Pour bien prendre la mesure de ce changement, il est essentiel de comprendre ce que sont exactement les composites, et comment sont obtenues leurs proprits. 2 - Qu'appelle-t-on matriaux composites ?Il n'existe malheureusement pas de dfinition unique des matriaux composites. Dans cette ressource, nous retenons les deux critres suivants :1. Un composite est un matriau htrogne, form d'au moins deux constituants qui occupent des phases diffrentes ;2. Ces constituants sont disposs selon une organisation gomtrique, qui confre au composite des proprits suprieures celles des constituants pris sparment.Le terme proprits suprieures englobe deux notions distinctes. Premirement, les composites sont gnralement conus de sorte combiner judicieusement les proprits de leurs constituants ; par exemple, un vtement impermable constitu d'une doublure isolante (destine protger du froid) recouverte d'une matire tanche (destine protger de l'eau) est, du fait de cette disposition, la fois tanche et isolant. Deuximement, l'organisation gomtrique des composites peut parfois faire merger, au niveau global, des proprits que leurs constituants n'ont pas. Par exemple, certains composites base de cramiques sont ductiles, alors que les cramiques elles-mmes sont fragiles ; cela est d leur structure spatiale, qui gne la propagation des fissures.Il existe d'autres dfinitions plus restrictives. Ainsi, dans l'industrie, le terme composites n'est utilis que pour quelques familles de matriaux modernes (voir la ressource Les grandes familles de matriaux composites) base de rsines plastiques, de cramiques, de carbone ou de mtaux, renforcs par des fibres (figure 3a). Cependant, la dfinition ci-dessus peut s'appliquer des multi-matriaux plus anciens comme le torchis (un des premiers matriaux de construction utilis par l'homme) ou le bton arm (figure 3b), et mme des matriaux naturels comme le tissu osseux ou le bois (figure 3c) qui, bien que n'tant pas fabriqus par l'homme, rpondent aux deux points cls ci-dessus. En revanche, les alliages mtalliques ne peuvent gnralement pas tre qualifis de composites : mme lorsqu'ils sont htrognes, leur structure ne participe habituellement pas la slection ou l'mergence de proprits particulires. Il existe toutefois quelques exceptions, comme l'acier de Damas (figure 3d) utilis depuis l'antiquit pour la fabrication des armes blanches ; les lames forges dans cet acier sont constitues d'une alternance de couches fragiles (dures) et ductiles (rsistantes aux chocs), ce qui leur permet de conserver leur tranchant. Une telle structure par couches, dite stratifie, se retrouve dans de nombreux composites.Pour viter toute ambigut, certains auteurs emploient parfois le terme multi-matriaux pour dsigner les composites au sens large du terme (i.e. selon la dfinition du dbut de ce paragraphe). Dans cette ressource, les deux termes sont synonymes ; bien que de nombreux exemples soient emprunts aux composites modernes, les concepts prsents dans cette ressource ont globalement une porte plus large.

(a)(b)(c)(d)

Figure 3 : Exemples de multi-matriaux : (a) un composite carbone/poxy, (b) un bton arm, (c) du bois vu au microscope optique, (d) une lame d'acier de Damas (image de Ralf Pfeifer).La dfinition prcdente montre que les proprits des composites proviennent de deux facteurs : les proprits des constituants eux-mmes, et la structure selon laquelle ils sont agencs. Cette ressource traite de la structure des composites de manire gnrale ; les diffrents constituants possibles sont prsents dans la ressource Les grandes familles de matriaux composites.Une originalit des composites est d'tre souvent (pas toujours) organiss selon une structure deux chelles : l'chelle : les composites possdent une microstructure, comme tous les matriaux ; mais galement, pour certains d'entre eux, l'chelle msoscopique, c'est--dire une chelle intermdiaire entre le matriau et la pice : de nombreuses pices composites sont gnralement construites par l'assemblage de motifs lmentaires, et non pas tailles dans la masse.3 - La microstructure des composites : renforts et matricePratiquement tous les composites sont constitus d'lments discontinus appels renforts, noys dans une phase continue appele matrice.Schmatiquement, les renforts assurent une part importante de la tenue mcanique (rigidit et rsistance) du composite, tandis que la matrice maintient les renforts en position, transfre les efforts entre eux, et assure toutes les autres fonctions techniques. Il peut par exemple s'agir d'une protection contre diverses agressions (thermiques, chimiques, chocs...), de fonctions esthtiques (couleur, aspect...), de donner sa forme extrieure au produit fini... Les renforts peuvent avoir plusieurs gomtries, et les deux constituants peuvent tre raliss dans de nombreux matriaux.3.1 - Gomtrie des renfortsD'un point de vue gomtrique, on peut distinguer trois grands types de renforts : Les fibres longues (i.e. longueur comparable aux dimensions de la pice, figure 4a) ; Les fibres courtes (i.e. de longueur faible devant les dimensions de la pice, figure 4b) ; Les particules, ou charges renforantes (figure 4c).Tous ces renforts sont inclus au sein d'une matrice qui rpartit les efforts entre eux et les protge des agressions extrieures, comme indiqu ci-dessus. En outre, lorsque les renforts sont des fibres, celles-ci peuvent tre soit orientes dans une direction prcise, soit disposes alatoirement.

(a)(b)(c)

Figure 4 : Les structures gomtriques des composites :(a) fibres longues, (b) fibres courtes, (c) particules.3.2 - Renforts et proprits mcaniquesLes renforts sont gnralement conus de sorte avoir des proprits mcaniques optimales (notamment la rsistance et la rigidit). Ceci passe naturellement par le choix d'un matriau adquat, mais pas seulement : dans le cas des composites modernes, le caractre particulaire ou filamentaire des renforts fait qu'il est gnralement possible de les fabriquer avec trs peu de dfauts, alors qu'une pice massive du mme matriau en contiendrait beaucoup plus, ce qui nuirait sa rsistance mcanique (c'est pourquoi le verre, peu rsistant sous forme massive, peut tre employ comme renfort lorsqu'il est sous forme de fibres).Sauf cas particuliers, les renforts sont donc beaucoup plus rigides et plus rsistants que la matrice (souvent d'un facteur 10, voire 100 ou plus). Par consquent, les proprits mcaniques du composite dpendent fortement de la forme et de l'orientation des renforts : Les composites fibres longues prsentent un meilleur comportement mcanique que les composites fibres courtes ou particules, du moins dans les directions renforces par les fibres ; Les composites fibres parallles prsentent un comportement mcanique anisotrope (voir la ressource Modlisation du comportement des composites: llasticit anisotrope), tandis que les composites fibres orientes alatoirement ou particules prsentent un comportement peu prs isotrope.Ainsi, pour des applications structurelles, c'est--dire des pices devant rsister des efforts importants, on utilise gnralement des fibres longues, dont on adapte l'orientation aux sollicitations subies par la pice, et les composites ainsi conus ont gnralement des comportements anisotropes. En revanche, pour des applications non structurelles, on utilise gnralement des fibres courtes ou des particules, dont le cot de mise en uvre est moins lev. Cette distinction vaut aussi bien pour les composites modernes que pour les multi-matr

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