Etude du comportement mécanique des matériaux composites destinés à l’aéronautique
Ce mémoire étudie les matériaux composites à base de fibres de carbone et de verre utilisés dans l’aéronautique, en analysant leurs propriétés mécaniques et physiques à travers des essais statiques, de fatigue et des simulations par logiciel Abaqus.
Université M’hamed Bougara de Boumerdès
Faculté des sciences
Département de physique
Master en physique
Spécialité : Physique des matériaux
Mémoire de master pour obtenir le diplôme de :
Étude du comportement mécanique des matériaux composites destinés à l’aéronautique
Asma Bessaad
Dirigé par:
MAZOUZ H.M Ahmed (MCA UMBB) – Président,
SERSOUR Zakia (MAA UMBB) – Examinatrice,
ARIBI Chouaib (MCA UMBB) – Encadrant,
TOUBANE Mahdia (MCA UMBB) – Co-encadrante
Soutenu le 29/09/2022
ملخص
الهدف من هذا العمل هو دراسة الرشاحئ املركبة القامئة عىل أألياف الكربون وا أللياف الزجاجية وراتنجات الايبوكيس املس.تخدمة يف جمال الطريان من النوع
إلجراء الاختبارات الاس.تاتيكية واختبارات ا إلهجاد للامدة وأأيضا الاختبارات الفزيايئية من اجل دراسة معمقة أأكرث.
يمت حتضري العينات وفق طرق املعايري املعمول هبا
أأظهرت النتاجئ اليت مت العثور علهيا ا ألداء العايل ملركبات أألياف الكربون من حيث مقاومة التعب، وهو ما يفرس اس.تخداهما يف ا ألجزاء شديدة ا إلهجاد يف الطائرة،
وقد أأوحضت اختبارات احملااكة بواسطة برانمج Abaqus إاماكنية التنبؤ بسلوك هذه املركبات يف جمال املرونة من خالل تغيري املعلامت اخلاصة هبا.
لكامت مفتاحية: الايبوكيس، أألياف الكربون، أألياف زجاجية، املوجات فوق الصوتية، برانمج Abaqus
Résumé
L’objectif de ce travail est consacré à étudier les stratifiés composites à base de fibre de carbone, fibre de verre et résine époxy de type Epocast 50-A, utilisés dans le domaine aéronautique.
Les éprouvettes sont préparés selon les modalités des normes en vigueurs pour réaliser les essais mécaniques statiques et les essais de fatigue.
Les résultats trouvés montrent la haute performance des composites à base de fibre de carbone en termes de résistance à la fatigue, ce qui explique leurs utilisations dans la partie hautement sollicitée dans l’avion.
Des tests de simulation par logiciel Abaqus ont clarifiés la possibilité de prévision de comportement de ces composites dans leur domaine élastiques à travers de leurs propres paramètres.
Mot clés : Epoxy, fibre de verre, fibre de carbone, Ultrasons, Abaqus.
Abstract
The objective of this work is devoted to studying composite laminates based on carbon fibers, fiberglass and epoxy resin of the Epocast 50-A type, used in the aeronautical field.
The specimens are prepared according to the methods of the standards in force to carry out the static tests and the fatigue tests.
The results found show the high performance of carbon fiber composites in terms of fatigue resistance, which explains their use in highly stressed parts in the aircraft.
Simulation tests by Abaqus software clarified the possibility of behavior prediction of these composites in its elastic domain through its own parameters.
Keywords : Epoxy, fiberglass, carbon fibers, Ultrasound, Abaqus.
Remerciement
Nous remercions tout d’abord, le bon Dieu de nous avoir donné la santé, la volonté, le courage et la foi pour pouvoir atteindre nos objectifs et surmonter les moments difficiles pour réaliser ce mémoire.
Je remercie ma chère Mme TOUBANE ma Co-encadrante en premier pour son encouragement, sa disponibilité et ses qualités d’enseignement exceptionnelles, depuis que j’étais en licence, t’es une enseignante exemplaire et que j’aime trop, merci pour tout.
J’exprime ma gratitude et ma reconnaissance à mon promoteur Mr ARIBI Chouaib pour sa
patience et son soutien qu’il m’avais donné pour réaliser ce mémoire.
Je tiens a remercié également monsieur le président de jury Mr MAZOUZ Ahmed Hadj Moulay et l’examinatrice Mme SERSOUR Zakia d’avoir acceptés d’examiner ce travail.
Je remercier mes chers enseignants de département de physique spécialement Mme LAMRANI, Mme BOUKHERROUB et Mr MAZOUZ encore une fois, Vous êtes les meilleurs à nous. Sans oublier tous mes enseignants au département.
Aussi je désire à adresser mes sincère remerciements au doyen de la faculté des sciences Mr RIBA Omar pour ses sages décisions et ses bonnes qualités personnelles et professionnelles. Merci aussi à mon oncle Mr BASAID Djamel pour le guide qui m’avais donné pour choisir cette spécialité merveilleuse et ce thème.
Dernièrement je remercie toutes les équipes qui m’ont aidé dans la compagnie Air Algérie, CNERIB, CRTI et l’unité de recherche UR-MPE.
J’adresse aussi mes remerciements à tous les personnages qui m’ont aidées : Dr Zara, Dr Nour.
[img_1]
Dédicace
Je dédie ce modeste travail tout d’abord à ma chère mère Djamila et mon père Ahmed pour leur tendresse et leur énorme soutien tout au long de mon cursus d’étude,
Et à mes chères sœurs (Hassina, Hanane et Imane) et mes frères (Mohamed, Yacine, Karim, Nassim et Islam sans oublier leurs femmes) et à toute la famille.
Aux enfants de ma famille que j’aime le plus : Marwa, Samy, Ritadj, Siradj, Saraa, Israa, Malak, Ahmed et Safa.
Je le dédie également à mes chères amies Anissa, Meriem, Amel, Feriel et tous mes collègues de toutes mes 17 années d’études …
Aux membres de mon club scientifique (BIOBEST) avec lequel j’ai passé mes plus beaux moments et mes plus belles expériences à l’université.
Que ce travail soit l’accomplissement de vos vœux tant allégués, et le fruit de votre soutien infaillible.
Table des matières
Remerciement i
Dédicace ii
Table des matières iii
Liste des figures vii
Liste des tableaux x
Liste des abréviations xi
Résumé xii
Introduction Générale 1
CHAPITRE I Matériaux composites pour l’aéronautique
• Introduction 4Classification des matériaux 4Propriétés mécaniques 5Les essais mécaniques 6
• Introduction 4
• Classification des matériaux 4
• Propriétés mécaniques 5Les essais mécaniques 6
• Les essais mécaniques 6
• Compression 6
• Flexion 6
• Traction 6
• Fatigue 7Le contrôle non destructif (CND) 7Les matériaux composites 8Définition 8Les deux types de composites 8Les composites GD 8Composites HP 8Classification des matériaux composites 9Suivant la forme des renforts 9Suivant la nature des matrices 9Interface renfort / matrice 10Les différentes structures des matériaux composites 11
• Le contrôle non destructif (CND) 7
• Le contrôle non destructif (CND) 7
• Les matériaux composites 8Définition 8Les deux types de composites 8Les composites GD 8Composites HP 8Classification des matériaux composites 9Suivant la forme des renforts 9Suivant la nature des matrices 9Interface renfort / matrice 10Les différentes structures des matériaux composites 11
• Définition 8
• Les deux types de composites 8Les composites GD 8Composites HP 8
• Les composites GD 8
• Composites HP 8
• Classification des matériaux composites 9Suivant la forme des renforts 9Suivant la nature des matrices 9
• Suivant la forme des renforts 9
• Suivant la nature des matrices 9
• Interface renfort / matrice 10
• Les différentes structures des matériaux composites 11
• Les monocouches 11
• Les stratifiés 11
• Les composites sandwiches 12Aspect physico-mécanique des structures composites 12Densité 12Fractions volumiques et massiques 13Fraction massique 13Fraction volumique 13L’isotropie des matériaux composites 14La fabrication des matériaux composites 14Moulage au contact 15Moulage sous vide 15Moulage par compression 16Intégration des matériaux composites dans l’aéronautique 16Les avantages des matériaux composites pour utilisation aéronautique 18Les inconvénients des matériaux composites destinés à l’aéronautique 18Les exigences des matériaux composites stratifiés en aéronautique 18Conclusion 19
• Aspect physico-mécanique des structures composites 12Densité 12Fractions volumiques et massiques 13Fraction massique 13Fraction volumique 13L’isotropie des matériaux composites 14
• Densité 12
• Fractions volumiques et massiques 13Fraction massique 13Fraction volumique 13
• Fraction massique 13
• Fraction volumique 13
• L’isotropie des matériaux composites 14
• La fabrication des matériaux composites 14Moulage au contact 15Moulage sous vide 15Moulage par compression 16
• Moulage au contact 15
• Moulage sous vide 15
• Moulage par compression 16
• Intégration des matériaux composites dans l’aéronautique 16Les avantages des matériaux composites pour utilisation aéronautique 18Les inconvénients des matériaux composites destinés à l’aéronautique 18
• Les avantages des matériaux composites pour utilisation aéronautique 18
• Les inconvénients des matériaux composites destinés à l’aéronautique 18
• Les exigences des matériaux composites stratifiés en aéronautique 18
• Conclusion 19
Références de chapitre I 20
CHAPITRE II Procédés d’élaboration et caractérisation des matériaux composites
• Introduction 22Matériaux d’étude 22Le matériel utilisé 22Les renforts 23Caractéristiques des fibres de carbone et de verre 24Fibre de verre 24Fibre de carbone 25Préparations des renforts 27La matrice 27Caractéristiques de la résine 28Préparation de la matrice 28Tissu d’arrachage 30Feutre de drainage 30Procédure de fabrication 30L’étape de mise sous vide 32Représentation des pièces pour les essais mécaniques 34Eprouvettes de traction de la matrice résineuse 34Eprouvettes de traction des stratifiés composites 34Eprouvette de l’essai de flexion 35Les machines utilisées pour les essais mécaniques 35Caractérisation des stratifiés composites élaborés 35Caractérisation physique 35Analyse thermique (ATD, ATG) 35Détermination de la masse volumique 36Taux massique et volumique du renfort 37Contrôle non destructive par ultrasons 37Conclusion 39
• Introduction 22
• Matériaux d’étude 22Le matériel utilisé 22Les renforts 23Caractéristiques des fibres de carbone et de verre 24Fibre de verre 24Fibre de carbone 25Préparations des renforts 27La matrice 27Caractéristiques de la résine 28Préparation de la matrice 28Tissu d’arrachage 30Feutre de drainage 30
• Le matériel utilisé 22
• Les renforts 23Caractéristiques des fibres de carbone et de verre 24Fibre de verre 24Fibre de carbone 25Préparations des renforts 27
• Caractéristiques des fibres de carbone et de verre 24Fibre de verre 24Fibre de carbone 25
• Fibre de verre 24
• Fibre de carbone 25
• Préparations des renforts 27
• La matrice 27Caractéristiques de la résine 28Préparation de la matrice 28
• Caractéristiques de la résine 28
• Préparation de la matrice 28
• Tissu d’arrachage 30
• Feutre de drainage 30
• Procédure de fabrication 30L’étape de mise sous vide 32
• L’étape de mise sous vide 32
• Représentation des pièces pour les essais mécaniques 34Eprouvettes de traction de la matrice résineuse 34Eprouvettes de traction des stratifiés composites 34Eprouvette de l’essai de flexion 35
• Eprouvettes de traction de la matrice résineuse 34
• Eprouvettes de traction des stratifiés composites 34
• Eprouvette de l’essai de flexion 35
• Les machines utilisées pour les essais mécaniques 35
• Caractérisation des stratifiés composites élaborés 35Caractérisation physique 35Analyse thermique (ATD, ATG) 35Détermination de la masse volumique 36Taux massique et volumique du renfort 37Contrôle non destructive par ultrasons 37
• Caractérisation physique 35Analyse thermique (ATD, ATG) 35Détermination de la masse volumique 36Taux massique et volumique du renfort 37Contrôle non destructive par ultrasons 37
• Analyse thermique (ATD, ATG) 35
• Détermination de la masse volumique 36
• Taux massique et volumique du renfort 37
• Contrôle non destructive par ultrasons 37
• Conclusion 39
Références chapitre II 40
CHAPITRE III Résultats et discussion
• Introduction 41Caractérisation de la matrice 41Caractérisation physique 41Analyse thermique (ATD, ATG) 41Caractérisation mécanique 42Essai de traction 42Caractérisation du matériau composite stratifié 43Caractérisation physique 43Mesure de densité 43Mesure de taux des fibres 44Caractérisation mécanique du stratifié 44Essai de traction 44Essai de flexion (trois points) 47Essai de fatigue 48Fatigue d’éprouvette en composite à fibre de verre 49Fatigue d’éprouvette en composite à fibre de carbone 50Caractérisation par ultrasons 51Validation des résultats expérimentaux par simulation 53Définition 53Organisation de l’interface ABAQUS/CAE 54Modules 54
• Introduction 41
• Caractérisation de la matrice 41Caractérisation physique 41Analyse thermique (ATD, ATG) 41Caractérisation mécanique 42Essai de traction 42
• Caractérisation physique 41Analyse thermique (ATD, ATG) 41
• Analyse thermique (ATD, ATG) 41
• Caractérisation mécanique 42Essai de traction 42
• Essai de traction 42
• Caractérisation du matériau composite stratifié 43Caractérisation physique 43Mesure de densité 43Mesure de taux des fibres 44Caractérisation mécanique du stratifié 44Essai de traction 44Essai de flexion (trois points) 47Essai de fatigue 48Fatigue d’éprouvette en composite à fibre de verre 49Fatigue d’éprouvette en composite à fibre de carbone 50Caractérisation par ultrasons 51
• Caractérisation physique 43Mesure de densité 43Mesure de taux des fibres 44
• Mesure de densité 43
• Mesure de taux des fibres 44
• Caractérisation mécanique du stratifié 44Essai de traction 44Essai de flexion (trois points) 47Essai de fatigue 48Fatigue d’éprouvette en composite à fibre de verre 49Fatigue d’éprouvette en composite à fibre de carbone 50
• Essai de traction 44
• Essai de flexion (trois points) 47
• Essai de fatigue 48Fatigue d’éprouvette en composite à fibre de verre 49Fatigue d’éprouvette en composite à fibre de carbone 50
• Fatigue d’éprouvette en composite à fibre de verre 49
• Fatigue d’éprouvette en composite à fibre de carbone 50
• Caractérisation par ultrasons 51
• Validation des résultats expérimentaux par simulation 53Définition 53Organisation de l’interface ABAQUS/CAE 54Modules 54
• Définition 53
• Organisation de l’interface ABAQUS/CAE 54Modules 54
• Modules 54
• Module » PART » 54
• Module « PROPERTY » 55
• Module « ASSEMBLY » 55
• Module « STEP » 56
• Module » INTERACTION » 57
• Module « LOAD » 57
• Module « MESH » 58
• Module « JOB » 59
• Module » VISUALIZATION » 59
• Module « SKETCH » 60Modélisation numérique (MFE) 60Comparaison entre les résultats expérimentaux et numériques 62Conclusion 62
• Modélisation numérique (MFE) 60Comparaison entre les résultats expérimentaux et numériques 62
• Modélisation numérique (MFE) 60
• Comparaison entre les résultats expérimentaux et numériques 62
• Conclusion 62
Références Chapitre III 64
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIFS
Conclusion générale 65
Perspectifs 66
ANNEXE
• FIBRES DE VERRE I
• FIBRES DE CARBONE II
• LES UNITES UTILISES EN ABAQUS IV
• MESURE DES PARAMETRES ELASTIQUE PAR ULTRASON IV
Références annexe VI
Liste des figures
FIGURE I.1 : FAMILLES DES MATERIAUX DE GRANDES CLASSES 4
FIGURE I.2 : DIAGRAMME DE LA CONTRAINTE EN FONCTION DE LA DEFORMATION 5
FIGURE I.3 : SOLLICITATION EN COMPRESSION 6
FIGURE I.4 : SOLLICITATION EN FLEXION 6
FIGURE I.5 : SOLLICITATION EN TRACTION 6
FIGURE I.6 : LES CONSTITUTIFS D’UN MATERIAU COMPOSITE 8
FIGURE I.7 : LES DIFFERENTS RENFORTS POUR LE MATERIAU COMPOSITE 9
FIGURE I.8 : DIFFERENTES BASES POUR CLASSIFICATION DES COMPOSITES 10
FIGURE I.9 : L’INTERPHASE ENTRE LA MATRICE ET LE RENFORT 11
FIGURE I.10 : MONOCOUCHES CONSTITUANT LE STRATIFIE. 12
FIGURE I.11 : SCHEMA D’UN COMPOSITE SANDWICH 12
FIGURE I.12 : SCHEMA DE MOULAGE AU CONTACT 15
FIGURE I.13 : MOULAGE SOUS VIDE 15
FIGURE I.14 : MOULAGE PAR COMPRESSION 16
FIGURE I.15 : TAUX DES MATERIAUX COMPOSITES DANS LA STRUCTURE DE BOING787 17
FIGURE I.16 : EVOLUTION D’INTEGRATION DES MATERIAU COMPOSITE DANS AERONEFS 17
FIGURE I.17 : STRATIFIE A PLIS DE CONSTRUCTION [0/90/0/0/90/0º] 19
FIGURE II.1 : OUTILS POUR FABRICATION DES PLAQUES COMPOSITES (AIR ALGERIE) 23
FIGURE II.2 : ROULEAUX DE FIBRES DE CARBONE ET DE VERRE BIDIRECTIONNEL 24
FIGURE II.3 : DESSIN D’ARMURE TAFFETAS (0/90º) [1] 24
FIGURE II.4 : STRUCTURE CRISTALLINE DU GRAPHITE. 26
FIGURE II.5 : PREPARATION DES RENFORTS (ETAPE DE DECOUPAGE) 27
FIGURE II.6 : TISSUS DES FIBRES DE CARBONE ET DE VERRE (TAFFETAS) 27
FIGURE II.7 : A. RESINE EPOCAST 50-A1. B. DURCISSEUR (HARDENER 946) 28
FIGURE II.8 : ETAPES DE PREPARATION DE LA MATRICE EPOCAST 50-A1 29
FIGURE II.9 : TISSU D’ARRACHAGE 30
FIGURE II.10 : FEUTRE DE DRAINAGE 30
FIGURE II.11 : IMPREGNATION DE RESINE SUR LES 1ERES COUCHES DE FIBRES
. 31
FIGURE II.12 : IMPREGNATION DE RESINE DE 8 COUCHES SUCCESSIVES 31
FIGURE II.13 : DEPOT DU TISSU D’ARRACHAGE 31
FIGURE II.14 : DEPOT DE TISSU DE DRAINAGE 32
FIGURE II.15 : DEPOT DE FILM PLASTIQUE POUR FERMETURE DU SYSTEME 32
FIGURE II.16 : SYSTEME D’ELABORATION DES PLAQUES COMPOSITES SOUS VIDE 33
FIGURE II.17 : PLAQUE COMPOSITE ; A. FIBRE DE VERRE ; B. FIBRE DE CARBONE 33
FIGURE II.18 : DECOUPAGE SELON LES NORMES 34
FIGURE II.19 : EPROUVETTES SOUS FORME HALTERE 34
FIGURE II.20 : DIMENSIONS DES EPROUVETTES DE TRACTION 34
FIGURE II.21 : DIMENSIONS DES EPROUVETTES DE FLEXION 35
FIGURE II.22 : A. MACHINES DE TRACTION ET B. MACHINE DE FLEXION 3 POINTS 35
FIGURE II.23 : APPAREIL DE DSC 36
FIGURE II.24 : BANC DE PESAGE 36
FIGURE II.25 : FOUR ELECTRIQUE. 37
FIGURE II.26 : BANC DE CONTROLE PAR IMMERSION 39
FIGURE II.27 : OSCILLOSCOPE ET GENERATEUR 39
FIGURE III.1 : DIAGRAMME DE L’ATD ET L’ATG DE LA RESINE EPOCAST 41
FIGURE III.2 : RUPTURE EN TRACTION DE RESINE 42
FIGURE III.3 : COURBE D’ESSAI DE TRACTION DE RESINE 42
FIGURE III.4 : DISPOSITIF D’ESSAI DE TRACTION 45
FIGURE III.5 : COURBES DE TRACTION DES EPROUVETTES CARBONE- VERRE/EPOXY 45
FIGURE III.6 : COURBES DE FLEXION DES D’EPROUVETTES CARBONE- VERRE/EPOXY 47
FIGURE III.7 : COURBE DE FATIGUE D’EPROUVETTE EN COMPOSITE A FIBRE DE VERRE 49
FIGURE III.8 : COMPORTEMENT EN TRACTION AVANT ET APRES FATIGUE- VERRE 49
FIGURE III.9 : COURBE DE FATIGUE D’EPROUVETTE EN COMPOSITE A FIBRE DE CARBONE 50
FIGURE III.10 : COMPORTEMENT EN TRACTION AVANT ET APRES FATIGUE- CARBONE 50
FIGURE III.11 : SIGNAUX LONGITUDINALES – A. COMPOSITE A FIBRE DE CARBONE B. COMPOSITE A FIBRES DE VERRE 51
FIGURE III.12 : SIGNAUX TRANSVERSALES – A. COMPOSITE A FIBRE DE CARBONE B. COMPOSITE A FIBRES DE VERRE 52
FIGURE III.13 : COMPOSANTS DE L’INTERFACE DU LOGICIEL ABAQUS 54
FIGURE III.14 : MODULE DE CREATION DE LA GEOMETRIE 55
FIGURE III.15 : MODULE D’INTRODUCTION DES PARAMETRES DE MATERIAUX
. 55
FIGURE III.16 : MODULE D’ASSEMBLAGE GEOMETRIQUE 56
FIGURE III.17 : PHASE DE CREATION DES SOLLICITATIONS 56
FIGURE III.18 : MODULE D’INTERACTION 57
FIGURE III.19 : PHASE DES CONDITIONS LIMITE ET CHARGEMENT 58
FIGURE III.20 : PHASE DE MAILLAGE 58
FIGURE III.21 : PHASE DE LANCEMENT DE SIMULATION 59
FIGURE III.22 : PHASE CONSULTATION DES RESULTATS 59
FIGURE III.23 : MODULE DE CREATION BIDIMENSIONNELLE 60
FIGURE III.24 : DIMENSIONS DU MODELE NUMERIQUE 61
FIGURE III.25 : MODÈLE ÉLÉMENTS FINIS 61
FIGURE III.26 : COMPARAISON ENTRE LES RESULTATS EXPERIMENTALE ET NUMERIQUE. 62
Liste des tableaux
TABLEAU II.1 : DIFFERENTS TYPES DE FIBRES DE VERRE FILABLES 25
TABLEAU II.2 : CARACTERISTIQUES DU TISSU DE CARBONE ET DE VERRE 26
TABLEAU II.3 : CARACTERISTIQUES DES EPOCAST 50-A1/946 28
TABLEAU II.4 : CARACTERISTIQUES DU FEUTRE DE DRAINAGE 30
TABLEAU III.1 : PROPRIETES MECANIQUES DE LA MATRICE EPOCAST 43
TABLEAU III.2 : RESULTATS DES MASSES VOLUMIQUES OBTENUS 44
TABLEAU III.3 : TAUX MASSIQUE DE RENFORT PAR ESSAI DE CALCINATION 44
TABLEAU III.4 : L PROPRIETES DE TRACTION DES STRATIFIES COMPOSITES 46
TABLEAU III.5 : PROPRIETES DE FLEXION DES COMPOSITES. 48
TABLEAU III.6 : PARAMETRES ELASTIQUES DETERMINES PAR ULTRASON 53
TABLEAU III.7 : PARAMÈTRES GÉOMÉTRIQUES ET MÉCANIQUES UTILISÉS 61
Liste des abréviations
CRTI : Centre de Recherche en Technologies Industrielles
CNERIB : Centre National d’Etudes et de Recherches Intégrées du Bâtiment UR-MPE : Unité de Recherche Matériaux, Procédés et Environnement ASTM : American Society for Testing and Materials
ATD : Analyse Thermique Différentielle ATG : Analyse Thermo-Gravimétrique E : Module de Young.
Ep : Matrice Epocast
G : Module de cisaillement.
GPa : Giga Pascal P : Pression
S : Surface
T : Température
Tg : Température de transition vitreuse
UD : Uni-Directionnelle σ : Contrainte.
ρ : Masse volumique.
ε : Tenseur de déformation.
ν : Coefficient de poisson.
ANNEXE
ANNEXE
FIBRES DE VERRE
Les fibres de verre sont peu coûteuses en production, et constituent le renfort le plus utilisé actuellement. Leur fabrication se fait en général par étirage décrit par la figure ci-dessous. Les oxydes minéraux constituant la matière première (silice, alumine, etc.) sont mélangés en proportion voulue suivant le type de fibres de verre désiré (voir tableau II.1.).
Ce mélange est ensuite porté à très haute température (Environ 1250°C). A cette température, la viscosité du verre permet un écoulement par gravitation à travers la filière sous forme des fibres de quelques dixièmes de millimètres. A la sortie de la filière le verre en phase plastique est simultanément étiré à grande vitesse (de l’ordre 250 m/s) et refroidi, les conditions des refroidissements et de vitesse d’étirage permettent d’obtenir des fibres sous forme de filaments de diamètres calibrés[1] .
Ces filaments isotropes sont ensimés pour optimiser l’adhésion de la matrice, puis assemblés pour former les fils, eux-mêmes stockés sous forme de bobine appelée gâteau. Le gâteau est alors étuvé, pour éliminer l’eau résiduelle et pour stabiliser l’ensimage. Les fibres de verre ainsi obtenues sont amorphes, ce qui leur confère des caractéristiques mécaniques parfaitement isotropes.[2]
[img_2]
Figure.1. Procédé de fabrication des fibres de verre
I
FIBRES DE CARBONE
Les fibres de carbone ont de très fortes propriétés mécaniques et sont largement utilisées dans les composites HP, élaborées à partir de l’un des trois précurseurs suivants : la rayonne, le brai de pétrole, et le poly acrylonitrile [(CH2-CH-CH) n] noté (PAN). Les fibres de carbone utilisées comme des renforts sont produites à partir de brai de mésophase ou de PAN, en commençant tout d’abord par le traitement thermique de brai isotope afin d’orienter les molécules poly aromatiques.
Ensuite, le filage et l’étirage de cette mésophase sont réalisés pour l’obtention des fibres ; ces dernières sont composées de 90 à 70 % de carbone, moins de 10 % d’azote, environ, 1% d’oxygène et moins de 1% d’hydrogène. La fabrication des fibres de carbone à partir de PAN passe par quatre étapes : Oxydation, carbonatations, graphitisation et traitement de surface [3]
• Oxydation
• Oxydation
Les fibres acryliques étant fusibles, la phase d’oxydation a pour but de supprimer artificiellement le point de fusion ; cette opération est effectuée en chauffant les fibres à environ 200 à 300 c̊ en atmosphère oxygéné pendant 0.5 à 3h. Il se produit alors une oxydation conduisant à une réticulation des chaines moléculaires et à la création d’un réseau tridimensionnel.
• Carbonatation
• Carbonatation
Consiste à chauffer progressivement les réticulées de 300 °C à 1100 °C environ, en atmosphère inerte. Il y a alors élimination de l’eau et de l’acide cyanhydrique, seuls les carbones étant conservés dans la chaîne. Les fibres obtenues après cette phase ont de bonnes caractéristiques mécaniques et peuvent être utilisées après traitement des surfaces. Ces fibres sont alors dénommées fibres HR (haut résistance) ou fibres HT (haut ténacité).
• Graphitisation
• Graphitisation
Cette phase est utilisée lorsqu’on souhaite obtenir des fibres à module de Young élevé ; cette phase consiste à effectuer, à la suite de la carbonatation, une pyrolyse des fibres en atmosphère inerte jusqu’à 2600°C ou à des températures supérieures ; la graphitisation provoque une réorientation des réseaux hexagonaux de carbone suivant l’axe des fibres, ce qui aboutit à une augmentation du module de Young.
Toutefois, simultanément à cette réorientation, des défauts se créent dans la structure, entraînant une diminution de la contrainte à la rupture. Suivant le taux de graphitisation, on distingue deux types de fibres : fibres à haute résistance (HR) pour une combustion à 1500 °C, et fibres haut module (HM) pour une température de combustion de 1800 à 2000 °C [4]
• Traitement de surface
• Traitement de surface
Il consiste en un traitement de surface par oxydation ménagée en milieu acide (nitrique ou sulfurique). Cette phase a pour objet d’accroitre la rugosité des filaments. Un traitement final par ensimage effectué à l’aide d’une dispersion aqueuse spécifique comportant un agent antistatique, permet d’assurer différents rôles telle que la compatibilité de la liaison fibre – matrice et la protection contre l’abrasion générée par la mise en œuvre (frottement contre pièces métalliques).
[img_3]
Figure.2. Procédé de fabrication des fibres de carbone à partir de (PAN).
LES UNITES UTILISES EN ABAQUS
[img_4]
Figure.3. Les unités utilisées en Abaqus
MESURE DES PARAMETRES ELASTIQUE PAR ULTRASON
On a V 2 𝐸(1−)
L =
𝜌(1+)(1−2)
VT2= 𝐸 2𝜌(1+ )
Trouvons E
3VL 2- 4 VT2= 3𝐸(1−)
𝜌(1+ )(1−2 )
4𝐸
2𝜌(1+)
−
= 3𝐸(1−)−2𝐸(1−2)
𝜌(1+)(1−2)
= 3𝐸−3𝐸−2𝐸+4𝐸
𝜌(1+)(1−2)
= 𝐸+𝐸
𝜌(1+)(1−2)
= 𝐸(1+)
𝜌(1+)(1−2)
3VL 2- 4 VT2 =
𝐸
𝜌(1−2)
VL 2- VT2= 𝐸(1−)
𝜌(1+ )(1−2 )
𝐸 2𝜌(1+)
=2𝐸(1−)−𝐸(1−2)
−
𝜌(1+)(1−2)
=2𝐸−2𝐸−E+2𝐸
𝜌(1+)(1−2)
VL 2- VT2=
𝐸
2𝜌(1+)(1−2)
(simplification)
Calculons le rapport
3𝑉2−4𝑉𝑇²
𝑉𝐿²−𝑉𝑇²
𝐿
= 𝐸
𝜌(1−2)
• 2𝜌(1+)(1−2)
𝐸
𝜌𝑉2
𝑇
3𝑉2−4𝑉𝑇²
𝑉𝐿²−𝑉𝑇²
𝐿
= 2(1 + )
= 𝜌 𝐸 2𝜌(1−2 )
(2(1 + )) = E
Finalement
𝐸 = 𝜌𝑉2
3𝑉2−4𝑉𝑇²
𝑇
𝐿
𝑉𝐿²−𝑉𝑇²
Trouvons
VL 2- 2VT2= 𝐸(1−)
𝜌(1+ )(1−2 )
2𝐸
2𝜌(1+)
−
= 𝐸(1−)−𝐸(1−2)
𝜌(1+)(1−2)
= 𝐸(1−)−𝐸(1−2)
𝜌(1+)(1−2)
= 𝐸−𝐸−𝐸+2𝐸
𝜌(1+)(1−2)
1 𝑉2−2𝑉𝑇² 1
VL 2- 2VT2 =
𝐸
𝜌(1+)(1−2)
𝐸
2𝜌(1+)(1−2)
𝐿 =
∙ =
2 𝑉2−𝑉𝑇²
𝐿
2 𝜌(1+)(1−2) 𝐸
Finalement
𝑣 = 1
𝑉2−2𝑉𝑇²
𝐿
2 𝑉2−𝑉𝑇²
𝐿
Références annexe
• Guillon, D., Fibres de verre de renforcement. Techniques de l’ingénieur. Plastiques et composites, 1995(A2110): p. A2110. 1-A2110. 15.
• Aribi, C., Étude comparative du comportement des différents matériaux composites (différentes matrices), 2012, Université de Boumerdès-M’hamed Bougara.
• Wang, P., Étude numérique et expérimentale de procédé d’élaboration des matériaux composites par infusion de résine, 2010, Saint-Etienne, EMSE.
• Davim, J.P., Book Review: Machining of Polymer Composites by Jamal Y. Sheikh- Ahmad. International Journal of Machining and Machinability of Materials, 2009. 6(3-4): p. 322-323.
