Impact de matériaux composites à structure sandwich

Renforts breux Fibres de verre

Connues depuis 1938 [Faw38], l’utilisation des bres de verre (FV) dans les matériaux composites a évolué en fonction des demandes du marché et des évolutions techniques et scientiques. Utilisées dans la fabrication des radômes d’avions dès la n de la seconde guerre mondiale [Gor76], l’intérêt principal de ce matériau était de protéger les radars du vent, de la glace et d’éventuels débris, tout en permettant aux ondes électromagnétiques de passer. L’usage de la bre de verre s’est depuis très largement ouvert et ce sont surtout les propriétés mécaniques et l’allègement des structures que l’on privilégie aujourd’hui. Selon la composition du verre à l’origine de la bre, on distinguera plusieurs applications ; dans le cas de la tenue mécanique, on utilisera principalement des verres de type E, R ou S, chaque lettre marquant une composition chimique diérente. Le type de bre de verre le plus rencontré est le type E, cette dénomination étant due à son utilisation pour fabriquer des isolants électriques. Noté E-Glass ce type de bres de verre sera souvent rencontré sous diérentes formes au cours de cette étude en raison de son bas coût de fabrication. Les verres de types R (R pour Renfort : verre alumino silicate sans MgO ni CaO avec de hautes propriétés mécaniques), et S (S pour Strength, verre alumino silicate sans CaO mais à haute teneur en MgO pour une haute valeur du module en traction) sont plus spécialisés car ils présentent de meilleures propriétés mécaniques, une meilleure résistance chimique (milieux acides ou humides par exemple) et à la température, mais ont un prix de revient plus élevé. Une fois la composition chimique du verre obtenue, on le met en forme par passage à l’état fondu dans une lière, puis par étirage. On le trouvera sous forme de bres courtes (l <10cm) dans les mats de verre ou de bres longues qui seront ensuite utilisées sous diverses formes. En sortie de lière, les bres de verre subissent une étape d’ensimage où elles passent dans une émulsion comprenant par exemple des agents lubriants, des agents collants, des agents mouillants, ou des tensioactifs assurant un bon couplage bre-matrice [Hei16]. Ces brefs sont par la suite assemblées sous forme de brins (aussi appelés torons ou mèches) et bobinées. L’étape nale de la fabrication consiste à assembler ces torons, par exemple en les tissant. La gure 6 présente un exemple de lage/ensimage/tissage/bobinage de bres de verre. 

Armures des tissus

Les brefs utilisées dans les composites peuvent se présenter sous différentes formes [Car06]. On retrouve principalement :  les mats, architectures textiles dont les brefs sont orientées aléatoirement et sont liées par diverses techniques (liaison chimique, mécanique ou thermique). Les composites fabriqués à partir de ces textiles ont des propriétés quasi-isotropes dans le plan du fait de cette répartition aléatoire. En revanche, les performances mécaniques ne sont pas très élevées. Les bres utilisées sont généralement assez courtes (environ 5cm), contrairement aux bres longues qu’on retrouve dans les autres armures. Grâce à la très bonne déformabilité de ces tissus, ils sont le plus souvent utilisés lors de la fabrication de moules composites ou de pièces d’apparence.  les uni-directionnels, ou UD dont les bres suivent une direction principale (ls de chaine), et sont maintenues, ou non, par des ls de trame, mais dont les propriétés mécaniques sont négligeables par rapport aux ls dans la direction principale. La très bonne prédictibilité des propriétés mécaniques de tissus UD en fait d’excellents candidats dans les applications techniques où les propriétés mécaniques doivent être parfaitement maitrisées.  les toiles ou taetas, où chaque l de trame passe au-dessus d’un l de chaine puis en-dessous du suivant (réciproquement pour les ls de chaine). La gure 7a) montre 20 cette armure. Le nombre important d’intersection de torons de bres rend ces tissus peu déformables. Leur utilisation est restreinte à des pièces à la géométrie simple.  les tissus sergés, où chaque l de trame passe au-dessus de n ls de chaine et chaque l de chaine passe au-dessus de m ls de trame ; l’armure du tissu est notée sergé n/m. Les gures 7b) et 7c) montrent deux exemples de sergés d’armure diérente. La bonne déformabilité du sergé permet son utilisation dans des moules aux formes complexes.

Polymères thermoplastiques 

Les polymères thermoplastiques (TP) sont des composés macromoléculaires linéaires dont la caractéristique principale est la thermoplasticité. Sous l’eet de la chaleur, la rigidité de ces matériaux diminue jusqu’à ce que le matériau passe à l’état fondu [Cha98]. Inversement, l’action du froid fera passer le plastique fondu à l’état solide. Cette propriété étant réversible, une mise en oeuvre rapide par thermoformage ou par soudage est possible. De plus, il est possible de recycler les thermoplastiques. Le comportement mécanique de ces matériaux et leur ténacité sont des propriétés particulièrement intéressantes lorsqu’on souhaite améliorer la résistance aux chocs. Ces matériaux demandent cependant des hautes températures pour pouvoir être travaillés. Ils présentaient à l’origine une mauvaise résistance aux solvants et à la chaleur. Divers polymères ont depuis été étudiés pour résoudre ces problématiques, parmi lesquels on trouve les PolyEtherSulfones (PES), les PolyEtherImides (PEI), les PolyEtherEtherCétones (PEEK) ou les PolySulfures de Phénylène (PPS). Ces matériaux étant très visqueux à l’état fondu, l’imprégnation des bres est assez complexe, mais leur facilité de mise en oeuvre et la réduction du temps de formage font du développement des composites thermoplastiques un enjeu industriel 23 important. La gure 10 résume les viscosités des grandes familles polymères utilisées dans le domaine des matériaux composites.Les polymères thermoplastiques utilisés dans des procédés de moulage par compression nécessitent des températures d’utilisation élevées, mais conservent malgré tout des viscosités élevées (comparées aux résines thermodurcissables). Les systèmes réactifs permettent d’obtenir des viscosités compatibles avec les procédés en voie liquide tels que l’infusion de résine liquide ou le RTM. Le développement de résines thermoplastiques pour des applications d’infusion est en plein essor, et on trouve notamment les résines acryliques de la gamme Elium développée par Arkema [Com16], permettant l’utilisation du procédé LRI [Bou17]. D’autres méthodes envisagées se concentrent sur l’utilisation de systèmes réactifs in-situ [Vic17, Vic18]. 

Polymères thermodurcissables 

Les matrices thermodurcissables (TD) sont des mélanges de produits organiques permettant de passer de façon irréversible de l’état liquide à l’état solide. Ces matériaux sont généralement préparés par réaction de deux composés, une résine comprenant le précurseur du polymère ou directement des monomères, et un durcisseur ou catalyseur de réaction. Sous l’action de ce composant et de la chaleur, la résine va réticuler et créer un réseau tridimensionnel [Cas13]. Contrairement aux thermoplastiques, ces résines polymérisent in situ et demandent donc la manipulation de mélanges réactionnels, nécessitant des précautions d’emploi. Parmi les polymères thermodurcissables, on trouve principalement :  les résines polyesters : bon accrochage aux bres, peu coûteuses, important retrait, forte odeur pendant la réticulation.