Les propriétés mécaniques des composites sont essentielles pour optimiser les performances des matériaux utilisés en aéronautique. Cette étude analyse les composites à base de fibres de carbone et de verre, en évaluant leur comportement à travers des essais statiques, de fatigue et des simulations avec Abaqus.
Aspect physico-mécanique des structures composites
Dans le domaine de l’espace et de l’aviation (Hautes performances), on cherche des matériaux les plus performants possible en mesure de sécurité, un module élevé avec une masse volumique faible. Ça nous conduira automatiquement à des composites.
Densité
La densité ou la masse volumique est la grandeur physique qui caractérise la masse des substances par leur unité de volume et déterminée par la méthode de balance hydrostatique et calculé numériquement par la formule suivante :
ρr = ρe * mr /mr – (mf – mp) (1)
Avec :
ρr densité d’échantillon. (g/cm3)
ρe densité de liquide d’immersion. (g/cm3) mr masse d’échantillon en air. (g)
mf la masse du support de tube à essai et de l’ensemble tube à essai dans le liquide d’immersion à la fin du temps de séjour. (g)
mp la masse du porte-échantillon dans le liquide d’immersion. (g)
Fractions volumiques et massiques
Fraction massique
Les fractions massiques Pf et Pm sont définies à partir des masses pc, pf, pm respectives de matériau composite, de fibres et de matrice par l’essai de calcination (essai dit de perte au feu).
Avec pf + pm = pc (2)
D’où : 𝑃
𝑃𝑚
= 𝑝𝑓
𝑝𝑐
= 𝑝𝑚
𝑝𝑐
…………. (3)
…………. (4)
Fraction volumique
Considérons un composite de volume νc, composé de fibres de volume 𝜈f et d’une matrice de volume 𝜈m.
Avec νc = νf + νm (5)
La fraction volumique de fibres Vf et de matrice Vm est donnée respectivement par :
𝑣𝑓
𝑉𝑚
= 𝑣𝑓
𝑣𝑐
= 𝑣𝑚
𝑣𝑐
…………. (6)
…………. (7)
La relation entre les fractions volumiques et massiques fait intervenir les masses volumiques. Les masses volumiques ρc, ρf, ρm respectives du matériau composite, des fibres et de la matrice sont liés par les relations suivantes1
On a: 𝑝𝑐 = 𝜌𝑐 𝜈𝑐 (8)
𝑝𝑓 = 𝜌𝑓 𝜈𝑓, …………. (9)
𝑝𝑚 = 𝜌𝑚 𝜈𝑚 …………. (10)
Et la fraction volumique des fibres Vf (taux de fibres) est déterminée par la formule suivante :
𝑉𝑓
= 𝑃𝑓
∗ 𝜌𝑚 100% …………. (11)
𝜌𝑓−𝑃𝑓 .(𝜌𝑓−𝜌𝑚)
𝜌𝑓= Masse volumique de fibres
𝜌𝑚= Masse volumique de la résine
P𝑓= Fraction massique de fibres
Avec la fraction V de la matrice : 𝑉𝑚 = 100 − 𝑉𝑓 (12)
L’isotropie des matériaux composites
Un matériau isotrope signifie que les propriétés de ce matériau sont supposées identiques dans toutes les directions de l’espace. Elle dépend essentiellement pour le composite de l’orientation de renfort d’une manière :
- Lorsque l’orientation est aléatoire, le comportement des composites est à peu près isotrope.
- Lorsque l’orientation suit une ou plusieurs directions préférentielles comme dans le cas des fibres, le comportement est anisotrope.2
La fabrication des matériaux composites
La mise en œuvre des composites se fait selon différentes méthodes de moulage et ça selon l’imprégnation du renfort par le système résineux et la mise en forme à la géométrie de la pièce, Ces méthodes sont généralement faciles à exécuter et demandent un coût d’investissement faible en matériels.
On va décrire le principe de quelques techniques importantes pour les procédés d’élaboration des composites dans cette partie qui sont en totale :
- Moulage par contact.
- Moulage sous vide.
- Moulage par compression.
- Moulage par centrifugation.
- Moulage en continu.
- Moulage par pultrusion.
- Moulage par projection simultanée.1
Moulage au contact
C’est la méthode la plus simple qui ne demande pas beaucoup d’équipements. On utilise des moules sur lesquels on dépose successivement : un agent de démoulage, une couche de surface et des couches successives des renforts imprégnés au rouleau d’une résine polymérisée à la température ambiante.
Les moules sont de différentes matière soit en plâtre, résine, bois ou en métal 3
Figure I.12 : Schéma de moulage au contact.
Moulage sous vide
Cette méthode dite du sac permet l’obtention de plaques avec un taux minimum de résine 4, Elle implique l’utilisation à la fois du vide et de la pression atmosphérique.
Après le revêtement de moule avec un agent de démoulage et une fine couche de résine sur la surface, le renfort est placé sur un moule rigide et la matrice est coulée. Cette Contre- moule, recouvert d’un film (feuille de nylon) pour assurer l’étanchéité. 3
La pompe à vide crée un vide qui permet à la résine de se diffuser dans les renforts fibreux et cavités. Cette méthode pourrait être combinée avec un système de chauffage qui servirait à polymériser la résine plus rapidement.5
Est un procédé de meilleure qualité que le moulage par contact car il permet d’obtenir des plaques sans défaut de produits composites aux formes complexes.
Figure I.13 : Moulage sous vide
Moulage par compression
Le moulage par compression est l’un des procédés les plus économiques pour la production de grandes séries de pièces de petites et de moyennes dimensions.5
La mise en forme par compression consiste à disposer dans un moule les composants prés imprégnés. Sous l’action du coulisseau de la pression, le contre-moule applique une pression sur le volume de matière qui se trouve à l’intérieur du moule.
Le renfort et la matrice se déplacent afin de remplir la cavité de l’outillage. Souvent, la pression exercée est de l’ordre de 20 à 40 bars. Une polymérisation partielle est effectuée à l’intérieur du moule et la pièce est ensuite retirée afin que la polymérisation puisse continuer à l’extérieur du moule. Ceci permet à l’outillage d’accueillir plus rapidement une nouvelle pièce à fabriquer6
Figure I.14 : Moulage par compression 5
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