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Introduction aux Cours Matériaux Composites Partie: Anisotropie et mécanique de

Introduction aux Cours Matériaux Composites Partie: Anisotropie et mécanique des stratifiés Master 2 DSME Responsable du cours: P. Vannucci 2 Qu’est-ce que c’est qu’un matériau composite? ! Composite: matériau composé de l’union d’au moins deux matériaux constituants (les phases), généralement distingués en :  Matrice  Fibres  Charges ! Caractéristiques mécaniques fondamentales des composites sont:  l’hétérogénéité  l’anisotropie (pas toujours) ! Les composites sont employés depuis des millénaires: briques en argile et paille, arcs et arbalètes en bois et tendons d’animaux, épées en alliages différents… 3 Exemples typiques (et atypiques) de composites Classe Exemple Composantes Applications Composites à matrice organique carton pneus stratifiés plastiques renforcées cellulose caoutchouc, acier résines organiques, fibres de verre, carbone, bore etc. résines, fibres courtes emballages etc. transports structures légères diverses Composites à matrice minérale béton composites C-C composites céramiques ciment, sable, additifs C, fibres de C céramiques et fibres céramiques génie civil aérospatial, aviation, sport, biomécanique composantes thermomécaniques Composites à matrice métallique Al/fibres de B Al/fibres de C aérospatial Alliages aciers Alliages d’Al cuivres C, Fe, Mn, Cr, Al, Cu, Sn etc. diverses 4 Les concepts clés des composites ! Réunir en un seul deux ou plusieurs matériaux à caractéristiques différentes, qui n’ont pas, séparés, des caractéristiques de valeur, mais qui ensemble forment un matériau avec des propriétés importantes: c’est l’union qui fait la force! ! Les fibres utilisées comme renfort ont des propriétés mécaniques nettement meilleures (résistance et rigidité) du même matériau en forme massive: la diminution des dimensions caractéristiques implique, souvent, une amélioration des prestations mécaniques car la fibre a, par le procédé de fabrication, une structure plus parfaite du matériau massif et parce que la probabilité de trouver des défauts importants diminue avec les dimensions 5 Les raisons de l’utilisation des composites ! Le développement des composites modernes est dû essentiellement aux besoins de plus en plus poussés de l’industrie, surtout dans les secteurs  Aérospatial  Aéronautique  Défense  Sport  Biomécanique ! Dans tous ces secteurs les impératifs de légèreté, rigidité et résistance rendent les composites indispensables 6 Types de matériaux composites structuraux ! Composites à fibres courtes: fibres dispersées dans une matrice isotrope, généralement sans orientation préférentielle; comportement macroscopique isotrope ! Composites à fibres longues: fibres longues noyées dans une matrice isotrope avec orientation établie; comportement macroscopique anisotrope ! Stratifiés: superposition de plis en composite diversement orientés; le comportement macroscopique doit être conçu selon les besoins ! Sandwiches: panneaux ou coques conçus pour des sollicitation de flexion; généralement, le comportement dans le plan est isotrope 7 Constituants principaux des composites à matrice organique ! Matrices:  Résines époxydiques  Résines polyuréthanes  Résines polyamides  Résine phénoliques ! Fibres:  verre  carbone  bore  kevlar  béryllium 8 Qualités générales des composites ! Les qualités principales sont:  légèreté  résistance  rigidité  bon comportement à la fatigue  possibilité de concevoir le matériau selon la nécessité ! Les défauts principaux sont  sensibilité aux agents atmosphériques (rayons UV, humidité, température)  faible tenue au feu  coût ! Les paramètres synthétiques d’évaluation des performances mécaniques d’un composite sont les rapports E/ρ e σlim/ρ 9 Données typiques 10 Produits industriels de base ! Fibres ! Mats ! Tissus ! Plis pré-imprégnés ! Stratifiés ! Sandwiches 11 Fibres ! Les fibres sont le constituant de base du renfort des composites verre carbone 12 Tissus ! Généralement, les renforts sont produits en forme de tissu ! Les principaux types de tissus sont: ! Tissus multidirectionnels Stitched Braided 3D 13 Mats ! Couches de fibres non tissées, disposées aléatoirement, imprégnées ou pas de résine ! Comportement macroscopique isotrope ! Applications:  structures légères avec faibles exigences structurales  peaux des panneaux sandwich ! Qualités:  facilité de mise en oeuvre  faible coût 14 Couches pré-imprégnées ! Tissus avec fibres pré-imprégnées de résine non polymérisée ! Les fibre peuvent être tissées ou UD ! Le comportement est toujours anisotrope ! Applications:  fabrication de stratifiés  peaux de panneaux sandwich  coques en stratifiés (surtout les tissus) ! Qualités:  hautes performances mécaniques  légèreté 15 Stratifiés ! Superposition de plis avec différentes orientations ! Normalement, l’assemblage des couches se fait par polymérisation de l’ensemble, parfois par collage (panneaux en bois) ! Applications:  structurale ! Qualités:  hautes performances mécaniques  conception ad hoc  légèreté 16 Sandwiches ! Les panneaux sandwich sont la généralisation 2D de la poutre en I ! Concept clé: placer la partie résistante à la flexion là où il le faut, à l’extérieur, et remplir la partie centrale avec un matériau léger (mousse solide, balsa, structure à nid d’abeille etc.) qui fait face aux efforts de cisaillement hors plan ! Applications:  Navales  Aérospatial  Aviation  Sport ! Qualités:  extrême légèreté  très grande rigidité en flexion 17 Technologies de production ! A la main ! Sous vide ! Resin Transfer Moulding ! Resin Film Infusion ! Pré-imprégnés (prepregs) ! Pultrusion ! Enroulement filamentaire (filament winding) 18 Techniques à la main ! A jet : jet en pression de résine et fibres courtes ! Par roulage: résine roulée sur une couche de fibres pré-appliquées au moule ! Normalement, la polymérisation se fait par catalyseur, à froid 19 Moulage sous vide ! La polymérisation se fait dans un moule sous vide, avec compression à la pression atmosphérique 20 Resin Transfer Moulding (RTM) ! Renfort mis à sec dans le moule ! Injection de résine en pression (avec éventuellement moule sous vide) ! Polymérisation à froid ou à chaud ! Variante: injection sous vide de résine non en pression 21 Resin Film Infusion ! La résine est appliquée à un état semi-solide, sur une couche de support ! Le moule est sous vide ! La résine est faite fondre et ensuite polymériser par apport de chaleur 22 Pré-imprégnés ! Le stratifié est préparé à froid, par superposition des plis pré- imprégnés ! Le stratifié est mis en autoclave ou dans une presse chauffante pour polymériser sous pression 23 Pultrusion ! Production en continu de profilés ! La polymérisation se fait à chaud et rapidement 24 Enroulement filamentaire ! Technique de réalisation de pièces à symétrie de révolution ou de forme à section convexe ! La fibre est pré-imprégnée de résine et ensuite enroulée sur un mandrin qui donne la forme recherchée ! La polymérisation peut être à froid, à chaud, par rayons UV etc. ! Technique très employée pour construire des réservoirs en pression 25 ! Taxi Spring: suspensions pour les taxis de Londres Des exemples d’utilisation des composites 26 Trailer Spring: suspensions pour camions ! Poids suspension en acier: 45 kg ! Poids suspension en fibre de verre: 9 kg ! Épaisseur max: 70 mm 27 Le projet Eurobogie ! Suspensions à deux phases en fibre de verre pour wagons marchandise ! Bogies de wagons marchandises en fibre de verre pour la diminution de la pollution sonore 28 Deux projets pour le TGV ! Barre anti-roulis en carbone et acier ! Joint Jaquemin en fibre de verre pour la transmission de la puissance ! Le futur du TGV: bogies en fibre de verre 29 Applications navales ! Coques sandwich ! Structures en composite ! Mat et voiles en carbone 30 Applications aéronautiques ! Plusieurs parties structurales et aérodynamiques (A380) ! Freins en carbone ! Aubes d’hélices et turbines 31 Applications aérospatiales ! Structures de satellites et lanceurs (sandwich Al-C, stratifiés en C et B) ! Protections thermiques 32 Applications sportives ! Coques et freins en carbone pour F1 et formule endurance ! Vélos de compétition en carbone 33 Les composites à fibres longues: des matériaux à concevoir ! L’usage structurale des composites est conseillé, même nécessaire, lorsqu’on a des exigences à la fois de résistance, rigidité et légèreté ! Le concepteur a la possibilité et la tâche de concevoir le matériau optimal ! Cependant, les matériaux composites posent aux concepteurs des nouveaux problèmes, avec des phénomènes parfois inattendus et inconnus dans les matériaux classiques ! Matériau composite=matériau complexe (et compliqué!) 34 Les deux aspects fondamentaux des composites à fibres longues ! Étant constitué par deux phases u composite est un matériaux hétérogène ! En outre, pour les renforts en fibres longues, l’orientation des fibre détermine une orientation des propriétés mécaniques de rigidité et résistance: la réponse mécanique dépend de la direction: le matériau est anisotrope ! Ces deux aspects jouent un rôle décisif à des échelles différentes: à l’échelle micromécanique l’hétérogénéité et à l’échelle macroscopique l’anisotropie 35 Le point de vue macroscopique: l’anisotropie ! Une couche renforcée par des fibres a un comportement orthotrope 36 Le comportement orthotrope hors-axe ! Dans le repère {x, y} tourné de θ par rapport aux axes d’orthotropie ! Les Qxs et Qys couplent les contraintes normales avec les déformations de distorsion 37 La loi de transformation de Q ! Q est un tenseur du 4éme ordre et ses composantes dans le plan varient en fonction des puissance d’ordre 4 des fonctions circulaires de θ 38 Modules de l’ingénieur ! ηxy,x e ηxy,y: uploads/Ingenierie_Lourd/ introd-composites.pdf