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Association des Centraliens de Lyon

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09 décembre 2019

Les matériaux composites à fibres discontinues et leurs avantages

LES MATÉRIAUX COMPOSITES sont constitués de plusieurs matériaux non-miscibles aux propriétés complémentaires. Cette combinaison permet en général de produire des matériaux qui disposent de propriétés qu’aucun des composants initiaux ne possède. Un matériau composite est en générale composé d’inclusions rigide (e.g. fibres…) enveloppées dans une matrice plus ductile (e.g. résine, polymère). Le concept existe depuis longtemps avec, par exemple, les cabanes en paille et terre séchée, mais même bien avant elles, avec des matériaux naturels tels que le bois, les toiles d’araignée ou encore les os. Plus récemment, dans la deuxième moitié du xxe siècle, les polymères renforcés de fibres de carbone (PFRC) ont émergé comme des nouveaux concurrents des matériaux traditionnels (acier, aluminium…) dans de nombreux secteurs, comme l’automobile ou  l’aéronautique. L’utilisation des PFRC, encore pratiquement inexistante il y a un demi-siècle, a rapidement augmenté et contribue maintenant à plus de la moitié de la masse des derniers avions civils, comme par exemple  l’Airbus A350.

La réussite des matériaux composites est principalement due à leurs propriétés mécaniques hors du commun, incluant une résistance ainsi qu’une rigidité très élevées (les fibres de carbone peuvent avoir un module d’Young jusqu’à quatre fois celui d’un acier conventionnel et environ dix fois celui de l’aluminium). De plus, la densité des fibres ainsi que celle de la matrice sont très faibles : les matériaux composites sont environ deux fois plus légers que l’aluminium et cinq fois plus légers que l’acier. Cette combinaison de hautes propriétés mécaniques et de faible densité rend les matériaux composites très populaires et explique leur succès pour les applications à toutes sortes de structures.

 

Limitation des composites conventionnels

Cependant, l’un des désavantages principaux des matériaux composites est leur fragilité et leur faible ténacité, dues au fait que l’endommagement d’un composite a tendance à être localisé à un seul endroit dans le matériau, ce qui déclenche une fracture fragile et catastrophique du matériau. Cet inconvénient aboutit à un surdimensionnement des pièces en composite et limite les applications dans des secteurs nécessitant une forte ténacité, comme par exemple le bord d’attaque des ailes du Boeing 787, qui est encore fait en aluminium.

Vers de nouveaux matériaux composites

• Composites à fibres discontinues
Les matériaux composites à fibres courtes (inspirés de la nature) répondent à ce manque de ténacité en permettant une déformation plus ductile avec plus de cisaillement dans la matrice. En effet, l’introduction de  discontinuités dans le matériau permet d’initier l’endommagement de la matrice sur l’ensemble du matériau et non plus à l’endroit le plus faible uniquement. Dans la nacre par exemple, l’ajout de 5 % de matière organique dans 95 % de plaquettes minérales rigides permet de multiplier par 3 000 la ténacité du matériau, tout en conservant une rigidité et une résistance raisonnable1.

Les discontinuités créées par les fibres discontinues accroissent les différents modes de défaillance possibles – illustrés par la figure 2 – soit par rupture cohésive : le chargement en tension des fibres génère de forts  cisaillements dans les régions entre les fibres, ce qui génère une fracture à l’intérieur de la matrice (figure 2.1), soit par rupture adhésive : il peut arriver que l’interface fibre/matrice se rompe lorsque l’adhésion entre la matrice et les fibres est plus faible que la cohésion de la matrice (figure 2.2), soit par arrachement : les discontinuités permettent également aux fibres de sortir de la matrice qui les entoure. La friction générée lors de ce processus est un autre moyen de dissiper de l’énergie de façon continue avant la rupture finale (figure 2.3).

Les discontinuités permettent de dissiper plus d’énergie lors de la rupture, ce qui la rend plus prévisible et moins catastrophique. De plus, le décalage en cisaille- ment généré dans la matrice permet au matériau de se déformer davantage, ce qui le rend moins fragile. Grâce aux discontinuités, les possibilités de design, déjà vastes pour les composites conventionnels, deviennent pratiquement illimitées. La présence de fibres courtes permet également une meilleure facilité d’utilisation, car cela permet aux fibres de circuler plus librement durant la cuisson du composite. Enfin, les matériaux composites recyclés ont par nature des fibres discontinues. Il existe plusieurs types de matériaux composites discontinus : hybrides, hiérarchiques, composites forgés…, rapidement décrits ci-dessous.



• Composites hybrides
L’hybridation consiste à combiner différents types de fibres dans un matériau (par exemple : fibres de carbone et fibres de verre, ou deux types de fibres de carbone différentes). Des effets de synergie, appelés effet hybrides, permettent d’obtenir des propriétés mécaniques plus élevées que la simple combinaison des deux fibres, et ces effets sont renforcés avec l’utilisation des fibres courtes3. De plus, l’introduction de fibres moins chères peut permettre de réduire le coût du matériau.


• Composites hiérarchiques
Un composite hiérarchique est un matériau dans lequel les inclusions sont elles-mêmes un matériau composite constitué d’inclusions de taille plus petite (voir figure 3). La nature est pleine de composites présentant différents niveaux hiérarchiques. Par exemple, on en compte environ trois ou quatre dans la nacre, et sept dans les os. Ces niveaux hiérarchiques sont partiellement responsables  de la forte ténacité de ces matériaux, ce qui a poussé les chercheurs à essayer d’appliquer ce concept aux composites synthétiques. La présence de niveaux hiérarchiques a permis de créer des composites où l’endommagement n’est plus localisé à un seul endroit, mais dans toute la structure comme le montre la figure 3.

• Composites forgés (TBDC : TowBased Discontinuous Composites)
Les matériaux composites forgés constituent une classe grandissante de matériaux à haute performance dont la méthode de fabrication, utilisant un moule similaire à l’emboutissage et à très hautes pression et température, permet de créer des géométries inexplorées jusqu’à présent avec les méthodes de production conventionnelles comme par exemple des bras de suspension5. De plus, le temps de production est réduit de plusieurs heures à environ trois minutes seulement, grave à un cycle à haute pression et haute température. Enfin, la forte fraction volumique des fibres ainsi que la nature aléatoire de la microstructure permettent au matériau de présenter de très bonnes propriétés mécaniques. Par exemple, l’aspect aléatoire du matériau empêche l’apparition de « routes » pour la propagation de fissures, ce qui rend le matériau plus tenace que des matériaux plus structurés, comme les composites tissés par exemple, où une fissure peut plus facilement se propager dans les directions du tissage. Cela permet l’utilisation du composite dans des parties qui jusqu’alors étaient fabriquées en métal comme les châssis.

 

Pour aller plus loin :

UTILISATION DES COMPOSITES
Le transport aérien et l’aérospatial font partie des principaux secteurs utilisant les avantages des matériaux composites car ceux-ci participent à l’optimisation de la réduction de la masse de la structure (avion, fusée, …).
Dans l’automobile, les voitures de course et les voitures réalisées en peu d’exemplaires utilisent également abondamment les composites, afin de maximiser les performances des voitures. Dans les voitures de série, leur utilisation est moins fréquente, mais est en pleine croissance, grâce à la réduction des coûts de production. Les composites sont également utilisés dans le domaine de l’énergie (éolienne), et des sports et loisirs (ski, vélo, raquettes, …) où leur légèreté permet l’obtention de meilleures performances et d’un meilleur confort.

Sources et références:

1 - F. Barthelat and D. Zhu, « A novel biomimetic material duplicating the structure and mechanics of natural nacre », Journal of Materials Research, vol. 26, no. 10, pp. 1203-1215, 2011.
2 - J. Henry, S. Pimenta, « Increasing damage tolerance in composites using hierarchical brick-andmortar microstructures », Journal of the Mechanics and Physics of Solids, vol. 118, pp. 322-340, 2018.
3 - J. Henry, S. Pimenta, « Modelling hybrid effects on the stiffness of aligned discontinuous composites with hybrid fibre-types », Composites Science and Technology, vol. 152, pp. 275-289, 2017.
4 - J. Henry, Designing and modelling bio-inspired discontinuous composites, PhD thesis, Imperial College London, 2018.
5 - P. Feraboli, F. Gasco, and B. Wade. Lamborghini « forged composite » technology for the suspension arms of the sesto elemento. In Proc. 26th ATC of the ASC, Montreal, Quebec, Canada, 26 - 28 September 2011.

Auteur

Joël Henry (ECLy 14) a effectué sa dernière année d’étude en échange à l’Imperial College de Londres. Il a par la suite passé un doctorat dans le département d’ingénierie mécanique, où il a développé de nouveaux matériaux composites bio-inspirés, ainsi que des modèles analytiques pour prédire leurs performances. Il a récemment rejoint une startup (Monolith AI) basée à Londres, spécialisée dans l’utilisation de l’intelligence artificielle pour améliorer la conception technique pour diverses applications.

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