Soutenance mémoire
Les matériaux composites sont de plus en plus utilisés dans de nombreux secteurs industriels : aéronautique, automobile, bâtiment et travaux publics, chaudronnerie, construction navale, mécanique, menuiserie, métiers de l’art, nucléaire, pétrochimie, transports, stockage et transport des énergies [1–3]. Par définition, il s’agit de l’assemblage de deux matériaux de natures différentes, se complétant et permettant d’aboutir à un matériau dont l’ensemble des performances est supérieur à celui des composants pris séparément. Pris au sens adopté ici, il s’agit généralement d’empilements de différents plis composés de fibres (carbone, verre, kevlar, etc.), qui peuvent être éventuellement tissées, imprégnées dans une matrice polymère (époxy, PEEK, polyester, etc.). Habituellement, les renforts des composites connus et fréquemment utilisés sont d’origine minérale ou pétrochimique : fibres de verre, fibres de carbone et fibres organiques. Toutefois face à des contraintes économiques et environnementales toujours plus exigeantes, l’utilisation de renforts cellulosiques et ligno-cellulosiques à base de fibres végétales apparaît aujourd’hui comme une alternative de choix. L’intérêt pour ces fibres réside notamment dans : leurs bonnes propriétés spécifiques, biodégradabilité, abondance sur tous les continents, caractère renouvelable et faible coût éventuel. De nouvelles applications et des composites plus performants sont déjà anticipés, mais les connaissances restent insuffisantes et des études doivent être menées afin de mieux comprendre leurs propriétés d’élasticité et l’origine de l’amortissement apportées par ces fibres dans les composites.
L’emploi des fibres élémentaires dans les matériaux composites nécessite le recours à des techniques fournissant des informations sur leur comportement mécanique sans les altérer. Les analyses et contrôles sans contact sont les plus courants de part leur non intrusivité. Parmi les méthodes de contrôle sans contact, les techniques acoustiques et optiques sont largement utilisées, non seulement dans les laboratoires de recherche mais aussi dans l’industrie, et offrent une excellente précision.
Les fibres dans les matériaux composites
Il existe plusieurs types de fibres qui peuvent être utilisées pour le renforcement des polymères. Ces fibres sont classées selon leur origine (naturelle, artificielle), leur forme (droite, ondulée, …etc.), leurs dimensions (macro ou microfibres) et leurs propriétés mécaniques. Les principales fibres utilisées comme renfort dans des matériaux composites sont les fibres artificielles et les fibres végétales.
Fibres artificielles
Dans les industries utilisatrices de matériaux composites, les fibres de verre, d’aramide et de carbone sont utilisées selon les performances de renforcement souhaitées. Chaque secteur a son renfort de prédiction, le carbone pour l’aéronautique, le verre pour le nautisme, pour ne citer que ceux-ci. Les fibres de verre sont toutefois les plus utilisées en volume pour des raisons historiques, de coût, parce que la majorité des composites manufacturés ne nécessitent pas des performances mécaniques exceptionnelles.
Fibres de verre
Les fibres de verre sont fabriquées à partir d’un mélange à base de silice. En faisant varier la composition de ce mélange, différents types de verre peuvent être obtenus : le verre E, les verres S ou R pour des applications mécaniques plus sévères, le verre C pour des applications chimiques et le verre D pour des applications diélectriques. Les fibres de verre E constituent le principal renfort des produits composites de grande diffusion et sont utilisés dans plus de 95% des matériaux composites [42]. Le mélange est porté à fusion à 1200 ◦C puis est transféré dans un four filière à 1000◦C. En sortie de filière, le verre est étiré à grande vitesse pour former des fibres continues dont le diamètre varie de 10 à 50µm. Les fibres ainsi produites ne peuvent pas être utilisées sous cette forme en raison de plusieurs points faibles : manque de cohésion interfilamentaire, forte sensibilité à l’abrasion, présence de charges électrostatiques et mauvaise compatibilité avec la résine (imprégnation, adhérence verre/résine). Pour toutes ces raisons et dans le but d’être tissées, les fibres sont ensuite ensimées. Il existe trois principaux types d’ensimages :
– l’ensimage textile pour permettre le tissage. Il fait intervenir des agents collants, lubrifiants, adoucissants ou encore antistatiques.
– l’ensimage plastique ou « finish » qui consiste à déposer un agent de pontage rendant possible la liaison fibre/résine.
– l’ensimage textilo-plastique qui confère aux fibres les propriétés nécessaires au tissage et à la liaison fibre/résine en une seule étape.
Fibres aramide
Ces sont des polyamides aromatisés obtenus par synthèse à basse température (environ -10 ◦C). Ils sont ensuite filés et étirés pour obtenir un module d’élasticité élevé. Ces fibres sont connues sous la marque Kevlar de Dupont de Nemours. En comparaison avec les fibres de verre, le prix des fibres d’aramide est élevé ce qui a été un frein pour leur développement. Néanmoins, le Kevlar possède une résistance spécifique en traction (résistance/densité) supérieure à la plupart des autres fibres pour ce type de sollicitation. Notons que le Kevlar est essentiellement utilisé pour des applications en matériaux composites. Les principales limites d’utilisation de ces fibres sont [42] :
– la reprise d’humidité. La structure des fibres d’aramides renferme des microporosités qui ont tendance à retenir l’eau en présence d’humidité. Les tissus de Kevlar doivent être séchés avant leur imprégnation par la résine.
– la sensibilité aux rayonnements ultra-violets.
– la faible tenue en compression par rapport à la traction. La contrainte ultime de compression d’une fibre d’aramide est cinq fois inférieure à sa contrainte de traction. C’est une limitation importante pour l’utilisation de composites sollicités en flexion (combinaison traction/compression) qui seront dimensionnés avec la condition la plus défavorable à savoir la résistance en compression.
Fibres de carbone
Les fibres de carbone sont couramment employées dans les matériaux composites en raison de leur faible masse volumique et d’excellentes propriétés mécaniques telles qu’un haut module élastique et une grande résistance à la rupture. Leur utilisation est désormais courante dans notre quotidien au travers d’équipements sportifs (ski, surf, cane à pêche, …) mais aussi dans les domaines de pointe tels que l’automobile, l’aéronautique et le spatial ou même dans l’industrie nucléaire [42]. Il existe deux grandes sortes de fibres de carbone : les fibres HR (Haute Résistance) qui sont les plus utilisées et les fibres HM (Haut Module). Les fibres HM ont des modules d’Young très élevés qui peuvent être jusqu’à deux fois supérieurs à ceux des fibres HR. Mais, elles comportent un allongement à rupture en traction 2 fois moins élevé ce qui a tendance à rendre les composites plus « fragiles ». Par ailleurs, les fibres de carbone sont anisotropes et peuvent présenter des structures très différentes suivant la nature du précurseur utilisé pour leur fabrication. Les trois grandes catégories sont les fibres de carbone obtenues à partir d’un précurseur à base de cellulose, les fibres PAN fabriquées à partir de polyacrylonitrile et les fibres Pitch fabriquées à partir de brais. La qualité des fibres de carbone finales dépend fortement du précurseur. Les fibres de carbones possèdent les qualités générales suivantes :
– très forte raideur axiale,
– très bonne résistance aux attaques chimiques,
– meilleure durée de vie en fatigue que les fibres de verre.
Toutefois, l’anisotropie des fibres de carbone constitue, comme pour les fibres de Kevlar, une contrainte supplémentaire à prendre en compte lors de la conception de pièces composites. Par rapport aux fibres de verre, elles demeurent encore chères.
Fibres végétales
Les fibres végétales représentent une alternative intéressante et prometteuse en remplacement des fibres artificielles dans la réalisation de matériaux composites à matrice organique. Ces fibres cumulent de nombreux atouts : ressources renouvelables et abondantes, propriétés mécaniques, physiques et chimiques intéressantes ainsi que des avantages économiques et environnementaux certains [8, 49, 50]. L’utilisation de ce type de renfort dans des composites à hautes performances mécaniques requiert une bonne compréhension du comportement des fibres elles-mêmes. Les fibres végétales présentent une anisotropie mécanique et une variabilité géométrique significatives. De plus, contrairement aux fibres de verre et de carbone, leur comportement dépend étroitement de la température et de l’humidité. En France, les fibres végétales couramment utilisées sont celles de lin et de chanvre.
|
Table des matières
Introduction générale
I État de l’art
I.1 Introduction
I.2 Les fibres dans les matériaux composites
I.2.1 Fibres artificielles
I.2.2 Fibres végétales
I.3 Méthodes statiques
I.3.1 Traction d’une fibre unitaire
I.3.2 Traction d’une mèche de fibres
I.3.3 Nanoindentation
I.4 Méthodes dynamiques
I.4.1 Analyse mécanique dynamique (DMA)
I.4.2 Acoustique picoseconde
I.5 Spectroscopie de résonance ultrasonore (RUS) et Laser-RUS (L-RUS) ?
I.6 Conclusion & perspectives
II Aspects théoriques
II.1 Introduction
II.2 Ondes acoustiques guidées
II.2.1 Ondes acoustiques guidées par une plaque
II.2.2 Ondes acoustiques guidées dans un cylindre de section arbitraire
II.3 Calcul des courbes de dispersion des modes guidés
II.3.1 Méthodes de calcul analytique
II.3.2 Méthode des éléments finis semi-analytique (SAFE)
II.3.3 Méthodes des éléments finis (EF)
II.3.4 Application aux fibres
II.4 Modes guidés par un cylindre à symétrie de révolution
II.4.1 Contexte et géométrie du problème
II.4.2 Classification des modes guidés
II.4.3 Équation séculaire pour le calcul de la fréquence d’un mode guidé
II.4.4 Courbes de dispersion d’un cylindre d’aluminium
II.5 Levée de dégénérescence modale pour une section elliptique
II.5.1 Contexte et motivations
II.5.2 Étude numérique
II.5.3 Déformées modales
II.5.4 Évaluation d’un faible défaut de circularité
II.6 Conclusion & perspectives
III Étude expérimentale des fibres micrométriques
III.1 Introduction
III.2 Montage expérimental d’Ultrasons laser
III.2.1 Dispositif d’excitation des fibres
III.2.2 Dispositif de Mesure
III.3 Excitation et détection des vibrations stationnaires de la section d’une fibre
III.3.1 Premiers tests sur un fil d’aluminium
III.3.2 Mesures sur une fibre de verre
III.3.3 Mesures sur une fibre de Kevlar
III.4 Propagation d’ondes guidées dans une fibre
III.4.1 Méthode expérimentale
III.4.2 Analyses des données expérimentales
III.4.3 Courbe de dispersion des modes guidés
III.4.4 Conclusion & perspectives
Conclusion générale
Télécharger le rapport complet
