Description du matériau composite SMC

 Description du matériau composite SMC

Les caractéristiques d’un composite dépendent généralement de celles de ses constituants : la matrice, le renfort, les charges ainsi que de leurs synergies.

Le choix d’une combinaison correcte des différents constituants s’impose afin d’accorder au matériau les propriétés mécaniques désirées. Selon la disposition des renforts, on distingue,  différents types de composite SMC [1], [2]:
• SMC-R : fibres coupées orientées aléatoirement (longueur 12 à 50 mm).
• SMC-D : fibres coupées unidirectionnelles (longueur 100 à 200mm).
• SMC-C : fibres continues unidirectionnelles.
• SMC-D/R : fibres coupées unidirectionnelles + fibres coupées orientées aléatoirement
• SMC-C/R : fibres continues + fibres orientées aléatoirement.

Dans un composite, chaque constituant possède une fonction particulière. Ils peuvent être soumis chacun à des contrôles précis et faire l’objet d’un cahier des charges :
• la matrice apporte la bonne cohésion au matériau en distribuant les efforts, qui lui sont appliqués, sur toutes les fibres.
• le renfort garanti la bonne résistance mécanique étant donné que la structure est conçue pour que les contraintes soient supportées essentiellement par les fibres.
• Les charges qui ont un rôle d’améliorer les caractéristiques mécaniques de la matrice (dureté et viscosité).

Contrairement aux constituants, l’interface qui est issue de leurs interactions, ne peut être analysée qu’après la mise en œuvre du matériau et en « in situ ». Dans notre étude, nous nous intéressons aux matériaux composites SMC à matrice thermodurcissable renforcée par des fibres de verre courtes. Nous détaillons dans la section suivante les caractéristiques de ses différents constituants (matrice, renfort et charge) et nous précisons son procédé d’élaboration. Du point de vue comportement mécanique, les composites SMC présentent une symétrie matérielle isotrope transverse d’axe (?3) perpendiculaire au plan de la plaque. De ce fait, il en résulte que seulement 5 coefficients de rigidité Cij indépendants. Ces coefficients sont nécessaires pour caractériser le matériau et/à son état d’endommagement [4], [5].

Composition du SMC

La matrice thermodure : polyester insaturé

Les résines de polyesters insaturés sont utilisées essentiellement pour la fabrication des pièces de structure en composite dans le domaine aéronautique et automobile [6]. Elles sont obtenues par une polycondensation d’un ou de plusieurs diacides avec un ou plusieurs glycols. Elles sont fournies aux transformateurs sous forme liquide suite à la dissolution du pré-polymère polyester insaturé dans un diluant réactif co-polymérisable (Figure I. 2). La copolymérisation finale de la résine permet de la transformer en un objet thermo-durci.

Il y a une tendance dans différentes études à considérer la matrice comme homogène, et que les matériaux composites associés ont une structure simple. Alors que ces matériaux sont très hétérogènes et complexes. En effet, en conséquence de la copolymérisation radicalaire, la matrice polyester présente des domaines hautement réticulés qui sont séparés par d’autres à faible degré de réticulation [10]. Cette hétérogénéité est un trait caractéristique de la résine polyester insaturé [11].

Les renforts : fibres de verre

Le renfort assure la résistance aux sollicitations et contribue à l’amélioration de la rigidité de la structure. Le verre, en forme massive, se caractérise par une fragilité très élevée due principalement à sa sensibilité à la fissuration [12]. Lorsque le verre est sous forme de fibre, cette fragilité diminue du fait que les microfissures sont beaucoup moins nombreuses, ce qui lui accorde de bonnes performances au niveau de la résistance à la rupture.

Les charges 

Les charges, faisant partie intégrante du composite, peuvent jouer un rôle important durant le chargement mécanique du matériau.

Dans les composites, on distingue principalement deux types de charges :
– Les charges renforçantes : elles favorisent l’augmentation de la rigidité de la matrice tout en diminuant d’une façon significative sa masse volumique. Ce sont généralement des microbilles de verre E (creuses ou pleines). La forme sphérique sert à éviter les concentrations de contraintes ce qui permet de diminuer la susceptibilité à la fissuration de la matrice.
– Les charges non renforçantes : elles permettent d’augmenter la dureté et la viscosité de la matrice et aussi de diminuer le prix du produit final. Ce sont généralement des charges minérales [13], [14]. En particulier, les particules de craie (CaCO3) comptent parmi celles fréquemment utilisées en grandes teneurs dans la composition du composite SMC. Par contre, les silicates (talc, kaolin, feldspath) et les silices sont généralement en faibles teneurs. Ces charges peuvent se présenter sous forme d’agglomérat de taille dépassant parfois celle de la fibre .

Procédés d’élaboration SMC

Les composites SMC sont obtenus par moulage sous compression à haute température et leurs fabrications requière trois étapes essentielles.

La fabrication du pré-imprégné
Sur un tapis roulant horizontal de plus de dix mètres de long, est déroulé un film support en polyéthylène (Figure I. 4). Au début de la chaîne, pendant que la pâte mère (résine chargée) est déposée sur le film plastique, des mèches de fibre continu, contenant à peu près une centaine de fibres de verre ensimées, passent par un sectionneur cylindrique. Ce dernier va assurer leur découpage à la longueur désirée. Les bouts de mèche découpés tombent aléatoirement sur la pâte et commencent à s’imprégner dans la résine. À la sortie de la chaîne, un second film en polyéthylène est déposé sur le pré-imprégné. Pour assurer une bonne imprégnation, le préimprégné passe par un dispositif de compactage (rouleaux de calandrage). Le semi-produit est ensuite stocké en rouleaux d’environ 500 kg ou plié dans des caisses en bois.

Le mûrissement du pré-imprégné
À la sortie du tapis roulant, le pré-imprégné reste difficilement manipulable puisque la résine est encore semi-fluide. De ce fait, le pré-imprégné est stocké pendant une période suffisamment longue dans une chambre de mûrissement à la température ambiante afin d’assurer une bonne pré-polymérisation de la résine et, par conséquent, la rigidification du semi-produit.

le moulage sous pression et réticulation
Pendant cette dernière étape, sous l’action du moulage à haute température (≈160°C) et sous une haute pression (≈30 à 100 bars), le pré-imprégné finit de réticuler et épouse la forme du moule. La durée de cette opération est d’environ 20 secondes par millimètre d’épaisseur, ce qui permet d’aboutir à des cadences de production allant jusqu’à 1600 pièces par jour.

Table des matières

INTRODUCTION GÉNÉRALE
Chapitre I : étude bibliographique
Introduction
I. Description du matériau composite SMC
II.1 Composition du SMC
II.1.1 La matrice thermodure : polyester insaturé
II.1.2 Les renforts : fibres de verre
II.1.3 Les charges
II.2 Procédés d’élaboration SMC
III. Comportement mécanique et endommagement des SMC
III.1 Mécanismes d’endommagements
III.2 Endommagement des composites SMC en traction monotone
III.3 Endommagement des composites SMC par fatigue
III.4 Indicateurs de l’endommagement
IV. Vieillissement hygrothermique
IV.1 Les modes de dégradation par vieillissement hygrothermique
IV.1.1 Vieillissement physique
IV.1.1.1 Approche volumique
a) au niveau du réseau polymère : théorie des volumes libres
b) au niveau des porosités : théorie de la pression osmotique
IV.1.1.2 Approche interactionnelle
IV.1.1.3 Cinétiques et modèles physiques de diffusion
a) Diffusion Fickienne
b) Diffusion non-Fickienne
IV.1.2 Vieillissement chimique
IV.1.2.1 Modèles de vieillissement chimique
V. Effet du vieillissement sur les propriétés des matériaux composites
V.1 Évolution des propriétés thermomécaniques
V.2 Évolution des propriétés mécaniques
VI. Couplage vieillissement / endommagement mécanique
Conclusion
Chapitre II : Matériau et Méthodes de caractérisation
Introduction
I. Échantillonnage
II. Caractérisation de la microstructure type
II.1 Analyse qualitative de la microstructure
II.1.1 Tomographie X
II.1.2 Microscope Électronique à Balayage (MEB)
II.2 Analyse quantitative de la microstructure
II.2.1 Détermination de l’orientation des fibres de verre
II.2.1.1 Mesures ultrasonores
II.2.1.2 Analyse microscopique
II.2.2 Détermination du taux de porosités
II.2.2.2 par le MEB : méthode surfacique par traitement d’image
III. Caractérisation physico-chimique
III.1 Analyse Mécanique Dynamique (DMA)
III.2 la spectroscopie infrarouge à Transformée de Fourier (IRTF)
III.3 Calorimétrie différentielle à balayage
IV. Caractérisation mécanique et endommagement
IV.1 traction monotone
IV.2 Essais de charge-décharge
IV.3 Fatigue
IV.4 Essais in situ
Conclusion
Introduction
I. Méthodes et conditions du vieillissement
II. Vieillissement hygrothermique
II.1 Courbe d’absorption d’eau
II.1.1 Analyse de la zone [OA]
II.1.2 Analyse de la zone [AB]
II.1.3 Analyse de la zone [BC]
II.2 modélisation des courbes d’absorption
II.3 Dégradation hygrothermique des SMC
II.3.1 Analyse à l’échelle optique
II.3.2 Analyse à l’échelle microscopique
II.3.2.2 Analyse par MEB
a) Endommagement matriciel : au niveau des porosités
b) Endommagement interfacial
c) Endommagement inter-mèche
II.3.3 Analyse à l’échelle moléculaire
II.3.3.1 Analyse Mécanique Dynamique
II.3.3.2 Analyse par Spectrométrie Infrarouge
II.4 La technique croisée : FTIR et gravimétrie
Discussion
Chapitre III : Analyse de l’effet de l’endommagement hygrothermique sur les propriétés mécaniques résiduelles du SMC
Introduction
I. Caractérisation mécanique du SMC pré-endommagé par hygrothermie à l’échelle macroscopique
I.1 Étude du comportement mécanique en traction du SMC vieilli
I.2 Étude de l’endommagement macroscopique
I.3 étude du comportement mécanique en fatigue
I.3.1 Sélection par analyse d’endommagement
I.3.2 Courbes de Wöhler
I.4 Modes de rupture
II. Caractérisation mécanique des SMC pré-endommagé par hygrothermie à l’échelle microscopique
II.1 Essais de flexion 3 points in situ
II.2 Cinétique de l’endommagement local
III. Établissement d’une relation comportement mécanique / vieillissement humide
IV. Approche prédictive de la durée de vie en fatigue d’une microstructure vieillie
CONCLUSION GÉNÉRALE

Télécharger le rapport complet