Influence de nanoparticules sur l’usinabilité et les propriétés mécaniques des matériaux composites

Les matériaux composites à matrices organiques, tels que les CFRP (Carbon fiber reinforced plastic) et les GFRP (Glass fiber reinforced plastic), sont de plus en plus prisés dans l’industrie. Ces matériaux novateurs présentent une bonne stabilité chimique et de très bonnes propriétés mécaniques tout en ayant une faible densité. C’est par leur capacité à permettre l’obtention de structures plus légères, que ces matériaux ont développé leur popularité. En effet, un gain de poids mène à de meilleures performances et à des réductions énergétiques considérables et indispensables aux enjeux économiques et écologiques actuels. Bien que de nombreuses méthodes de fabrication ont été développées et sont maintenant bien maitrisées des industriels, des opérations d’usinage restent tout de même indispensables dans les processus de fabrication. Il s’agit principalement d’opérations telles que le perçage et le détourage, qui permettent la découpe et l’assemblage des pièces.  L’usinage des composites est cependant problématique. En raison de la nature hétérogène et anisotrope de ces matériaux, de nombreuses difficultés inédites sont rencontrées. Le mécanisme de coupe se trouve être très dépendant de l’orientation des fibres et certaines plages d’orientation se montrent être indésirables (X. M. Wang & Zhang, 2003). Des endommagements tels que la délamination, l’arrachage de fibres ou encore la fissuration de la matrice sont causés au matériau. Elles ont pour conséquence une mauvaise intégrité de surface et la création de faiblesse au niveau mécanique. La chaleur générée par la friction de l’outil peut entrainer par ailleurs un endommagement au niveau thermique. Étant donné que la matrice polymérique est peu résistante aux hautes températures, celle ci peut se dégrader aux abords de la surface coupée et mener à des ruptures précoces. De plus, en raison du caractère abrasif des fibres, les outils montrent des usures excessivement prématurées pour répondre aux exigences de productivité des industriels. Malgré leur coût excessivement important, les seuls outils viables pour ce  type d’application ont des durées de vies de seulement quelques dizaines de minutes. (Azmi, Lin, & Bhattacharyya, 2013) .

Les polymères sont couramment fonctionnalisés par l’ajout d’additifs. De nombreux types d’additifs existent, permettant l’amélioration de propriétés bien ciblées notamment au niveau mécanique, physique et chimique. De nombreuses études proposent des solutions pour améliorer l’usinabilité des composites en modifiant les outils ou les paramètres de coupe. Cependant, l’utilisation d’additifs n’a pas été proposée ni étudiée, alors que certains d’entre eux pourraient avoir un potentiel intéressant.

Matériaux composites 

Par définition, un matériau composite est un matériau composé de deux constituants distincts ou plus. Il existe trois grandes familles de composites, classées selon leur type de matrice : métallique, céramique et organique. Cette dernière famille, couramment appelée FRP (Fiber Reinforced Plastic), représente la quasi-totalité du marché actuel. Cette famille est ensuite divisée en sous familles dépendamment du type de fibre utilisée. Par la suite, cette étude se limitera à ce type de composite, plus précisément aux CFRP (Carbon fiber reinforced plastic) et aux GFRP (Glass fiber reinforced plastic). Dans cette partie, le sujet des FRP sera détaillé en insistant sur leurs constituants, leurs particularités et leurs intérêts.

Présentation
Habituellement, les FRP se composent de deux phases; les renforts et la matrice. Les renforts sont sous la forme de fibre de diamètre micrométrique. La matrice est polymérique et est classée en deux catégories : thermodurcissable et thermoplastique.

L’intérêt principal des composites est d’allier des matériaux différents dans le but d’en obtenir un nouveau. Ce nouveau matériau tire à profit les avantages d’une de ses phases pour combler les défauts de l’autre. Ainsi, le composite possède des propriétés supérieures à celles possibles avec uniquement l’un des constituants. D’une manière générale, les propriétés mécaniques sont fortement dépendantes du renfort, alors que la matrice influe de manière plus significative sur les propriétés physiques et chimiques (Chatain, 2001). L’association des deux phases permet d’obtenir des matériaux aux caractéristiques extrêmement intéressantes. Par exemple, les composites haute performance permettent d’obtenir des rigidités et des résistances comparables à celle des aciers tout en ayant des densités bien plus faibles.

Les composites sont particulièrement prisés pour leur adaptabilité. En effet, il existe un grand nombre de combinaisons fibre/matrice possibles, ainsi qu’une infinité d’orientations permettant de concevoir le matériau le plus approprié au besoin, ce qui en soi, représente une révolution dans les structures hautes performances (Swanson, 1997). Ces matériaux sont également très prisés en raison de la multitude de procédés de fabrication envisageables, permettant d’obtenir les pièces directement aux géométries « near net shape » finales et ainsi de minimiser les étapes de fabrication. Leur très bonne résistance à la fatigue et à la corrosion sont également appréciées (Chatain, 2001).

Matrices
Il existe deux types de matrices dans les FRP : les thermodurcissables (tels que les polyesters, les vinylesters, les époxydes, les phénoliques) et les thermoplastiques (tels que les polysulfures de phénylène, les polyamides, les polyétheréthercétones). La seconde catégorie diffère de la première par sa capacité à pouvoir être formée à nouveau, alors que les thermodurcissables s’élaborent en suivant une solidification irréversible. En effet, leur structure réticulée empêche la mobilité des molécules. Ainsi, un apport de chaleur amène à une décomposition à défaut d’une fusion (Peinado, 1986). Les thermodurcissables sont tout de même les polymères les plus utilisés dans le cadre des composites, notamment pour leurs propriétés mécaniques et leur adaptabilité aux procédés de mise en œuvre.

Les époxydes, qui font l’objet de la présente étude, sont particulièrement utilisés pour des applications structurales de performance, tels que dans les secteurs de l’aéronautique et du sport. Ces derniers proposent d’excellentes propriétés mécaniques et thermiques ainsi qu’une très bonne adhésion avec le renfort. La disponibilité d’une large gamme de résine époxy facilite la mise en œuvre et permet l’utilisation de différents procédés de fabrication (Bathias & Wolff, 2005; Jang, 1994).

Le choix de la matrice est important, celle-ci doit avant tout être compatible avec le renfort choisi et en assurer une bonne adhésion. En effet, l’interface fibre/matrice joue un rôle clé dans la transmission des contraintes entre les deux phases et donc influe directement les propriétés mécaniques. Le test de cisaillement interlaminaire est un des tests permettant de caractériser cette interaction (Bergeret & Krawczak, 2006). La matrice régit également les propriétés physiques du composite obtenu, telles que la stabilité thermique et chimique (Bathias & Wolff, 2005).

Renforts
Quant à eux, les renforts jouent un rôle plus qu’important sur le matériau final. Très particulièrement sur les propriétés mécaniques. En effet, le comportement mécanique des matériaux composites est dépendant de la direction des efforts par rapport à la direction des fibres. Cette anisotropie est apportée par l’hétérogénéité du matériau. Étant donné que les propriétés mécaniques intrinsèques du renfort sont très supérieures à celles de la matrice, une bien meilleure résistance est observée dans le sens des fibres que dans le sens perpendiculaire à celles-ci (Swanson, 1997).

Les taux de constituants sont également des paramètres qui portent une importance sur les propriétés finales du matériau. Le renfort est responsable de la quasi-totalité des propriétés mécaniques. Ainsi, plus la part en fibres est grande, plus le matériau est résistant. Des taux de fibres importants vont donc être recherchés, en particulier pour les applications de performances (Swanson, 1997). Concrètement, des taux volumiques de fibre (vf) de l’ordre de 65%, sont atteints. Ce paramètre est en réalité très dépendant du procédé de fabrication. En effet, chaque méthodologie permet d’obtenir un taux plus ou moins important et avec une répétabilité plus ou moins bonne (Berbain & Chevalier, 1997). Les composites sont aussi susceptibles de comporter des vides; de petites cavités incorporées et piégées durant la mise en œuvre. En revanche, ces cavités sont néfastes pour les propriétés mécaniques et sont à éviter. En plus de réduire la section, les vides peuvent causer des concentrations de contraintes, ou encore interférer dans la liaison fibre/matrice et ainsi réduire les performances (Yang, Zhan, Jiang, Zhao, & Guan, 2018).

Une multitude de types de fibres sont utilisées dans les FRP, aussi bien d’origine naturelle qu’artificielle dont les diamètres sont généralement inférieurs à dix microns. Les fibres de verre sont de loin les plus utilisées, suivies par les fibres de carbone et d’aramide (plus connues sous les noms commerciaux Kevlar® ou Twaron®). Les  propriétés mécaniques et chimiques de ces fibres artificielles sont très appréciées et permettent d’obtenir des composites aux propriétés très intéressantes (Caramaro, 2005). Plus récemment, des renforts d’origine naturelle ont connu un essor important, tel que les fibres de lin, de chanvre ou de coton. En plus de l’enjeu écologique qu’elles apportent, leur coût est relativement faible étant donnée l’abondance de la matière première (Joshi, Drzal, Mohanty, & Arora, 2004). Bien que leurs propriétés mécaniques soient plus faibles, ces fibres rivalisent avec les GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastic) pour des applications non structurales (Caramaro, 2005; Delahaigue, 2015).

Dépendamment des applications et des procédés de fabrication souhaités, des renforts de différentes formes et dimensions sont commercialisés. Pour contrer l’anisotropie dans le plan, il existe des tissages suivant différentes directions et des mats dont l’arrangement des fibres est aléatoire. Bien que les plis unidirectionnels soient les plus couramment utilisés, les fibres peuvent également être discontinues et de longueur variée, permettant de faciliter certains procédés (Berthereau & Dallies, 2008).