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Matériaux renforcés de fibres

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  • Brochure sur le secteur d’activité: Composites PDF 7 MO

Aperçu sur les Matériaux composites

Les matériaux composites sont obtenus par assemblage de deux ou plusieurs matériaux. Le nouveau matériau ainsi obtenu possède des propriétés mécaniques que les éléments isolés ne possèdent pas tout en conservant un poids réduit. Par exemple: la rigidité ou la résistance dans des directions déterminées. 

Les performances globales sont améliorées, et permettent le développement de nouvelles applications. La fibre de carbone représente ainsi une part élevée de la structure des avions les plus récents, tels les A380 ou A350 de Airbus, ou encore le Boeing 787. Entièrement réalisés en fibres de carbone (CFC), les nouveaux châssis BMW équipent les modèles i3 et i8, tandis que les composites sont utilisés depuis de nombreuses années dans la réalisation des châssis de voiture de course. Les grandes turbines éoliennes associent différents types de composites. Tandis que les composites unidirectionnels piègent les forces centrifuges, les surfaces extérieures sont faites de composites multidirectionnels et la structure d'ensemble est conçue comme panneau sandwich. Les composites sont également utilisés dans le secteur médical (comme prothèses, notamment) ou encore dans le secteur du bâtiment (comme matériaux polyvalents pour la fabrication de ponts et façades de bâtiments).

Dans les composites à fibres, les fibres (renfort) sont enrobées dans un composant (matrice). Un système à matrice et renfort de fibres est obtenu de la sorte. Les fibres peuvent être disposées parallèlement les unes aux autres selon un angle pré défini ou de façon aléatoire.

Les matériaux composites structuraux peuvent être mono-couche, stratifiés (empilement de mono-couche) ou encore de structure sandwich (3 couches, dont deux couches externes identiques). 

Les composites sont utilisés dans les constructions nécessitant une structure légère. Dans ce cas, le noyau, qui remplit l'espace entre les deux panneaux de couverture peut se composer par exemple d'un plastique alvéolaire ou une structure en nid d'abeille. Ce dernier sera alors désigné comme composite nid d'abeille.

Définition Matériau composite

De nombreux composites à fibres sont utilisés dans les applications techniques, par exemple

  • Plastiques renforcés à fibres de verre (GFRP)
  • Plastiques renforcés à fibres de carbone (CFRP)
  • Plastiques renforcés à fibres aramide (AFRP)
  • Plastiques renforcés à fibres naturelles (NFRP)

Les composites à fibres sont constitués de fibres sous forme d'un filament ou de fibres discontinues (stratifils, par exemple) ainsi que d'une matrice qui détermine la résistance d'adhésion nécessaire.

Les caractéristiques mécaniques du composite sont déterminées par le choix de la fibre et du matériau de la matrice, ainsi que par l'orientation de ces fibres dans le tissu textile. Pour satisfaire aux exigences des techniques d'essais mécaniques, une distinction est généralement effectuée entre stratifiés unidirectionnels et stratifiés multi-directionnels. 

D'une manière générale, l'essai mécanique sur matériaux représente divers scénarios de mise en charge d'une éprouvette normalisée. Les caractéristiques mécaniques étant fortement liées à l'orientation des fibres, nous vous proposons différents types d'essais (application d'une charge parallèle ou perpendiculaire à la direction des fibres).

En plus des normes internationales (ISO), ces essais sont décrits dans différentes normes nationales ou locales (ASTM, EN, DIN), de même que dans des normes constructeurs (Airbus AITM, Boeing BSS). Il en résulte un ensemble de plus de 170 normes, décrivant près de 20 méthodes génériques pour essais sur composites.

L'essai sur composants, sur structures partielles et complètes, s'aligne quant à lui généralement sur les sollicitations qui se produiront plus tardivement en opération. Résistance, absorption d'énergie (Crash), fatigue des matériaux et estimations de durée de vie sont au premier plan.

En raison de la sensibilité directionnelle des composites à fibres et de leur sensibilité au cisaillement, les forces d'essais doivent être appliquées dans une direction précise. L'erreur d'axialité est décrite comme 'alignement', et est soumise à des tolérances étroites. Pour mesurer l'alignement de ses systèmes d'essais, ZwickRoell utilise des dispositifs de mesure appropriés (éprouvettes équipées de jauges de contrainte, par exemple). L'alignement des axes de traction de la machine d'essais s'effectue via des dispositifs mécaniques (Alignment Fixtures).

Système d'essais modulaire pour matériaux renforcés de fibres

En utilisant plusieurs machines d'essais adaptées aux différentes méthodes d'essais, les grands laboratoires d'essais avec demandes d'essais élevées parviennent à minimiser les temps de transformation. Les méthodes d'essais se répartissent selon les plages de force suivantes: 

  • Forces jusqu'à 1 kN: Essais de flexion, taux de libération de l'énergie, essais de traction sur filaments simples
  • Forces jusqu'à 10 kN: Essais de cisaillement, par ex. IPS, ILSS et entaille-V, essais de traction sur brins de filaments, essais de traction UD 90°, essais de traction en direction d'épaisseur
  • Forces jusqu'à 100 kN: essais de traction UD 0°, essais de traction MD sur plus petites épaisseurs de stratifié, essais de compression selon les normes ISO, ASTM et EN, essais de compression entaillés, essais de paroi du trou
  • Forces plus grandes que 100 kN: essais de traction et de compression selon normes Airbus pour épaisseurs de stratifiés correspondantes, Compression After Impact

Lorsque la demande d'essais est trop peu importante ou irrégulière pour acquérir plusieurs machines d'essais, il peut être avantageux d'équiper une seule machine d'essais permettant de réaliser le plus grand nombre possible de méthodes d'essais à moindre impact en terme de travaux d'adaptation.

ZwickRoell a développé, à cette fin, des concepts de machines d'essais modulaires pour machines d'essais électromécaniques et servohydrauliques dans différentes capacités. Avantages de ce système modulaire: Tous les outils, extensomètres, logiciels et éventuels écrans de protection ainsi que l'enceinte thermique s'adaptent idéalement les uns aux autres. Conçu de manière entièrement modulaire, ce système présente tous les avantages d'un investissement à long terme.

Exemples d’application pour l’essai sur composites

Essais de traction

sur filaments simples, brins de filaments, stratifiés unidirectionnels et stratifiés multidirectionnels, essais de traction entaillé et essai de traction sur stratifiés assemblés.
vers Essais de traction

Essai de compression et essai de compression entaillé (OHC, FHC)

sur matériaux renforcés de fibres de différents systèmes de matrices à fibres.
vers Essai de compression et essai de compression entaillé (OHC, FHC)

Essais de flexion

Basée sur des essais de flexion (3 et 4 points), une caractérisation simple des principales propriétés mécaniques pourra être mise en œuvre.
vers Essais de flexion

Alignement

L'essai de matériaux composites à fibres requiert un alignement très précis de l'axe d'essai.
vers Alignement

Résistance à cisaillement interlaminaire ILSS

La résistance au cisaillement interlaminaire est en principe déterminée dans l'essai de flexion court.
vers Résistance à cisaillement interlaminaire ILSS

Cisaillement avec recouvrement

Les essais de cisaillement avec recouvrement sont appropriés à la comparaison sur adhésifs stratifiés.
vers Cisaillement avec recouvrement

Cisaillement dans le plan IPS

peut être créé et mesuré par réalisation d'un essai de traction ou compression sous ± 45° par rapport à la direction des fibres.
vers Cisaillement dans le plan IPS

Essai de cisaillement à entaille V / V-notch shear test

sont utilisés pour la caractérisation des propriétés de cisaillement dans le plan.
vers Essai de cisaillement à entaille V / V-notch shear test

Taux de libération de l'énergie G

Les taux de libération d'énergie appartiennent aux grandeurs caractéristiques de mécanique de la rupture et sont en principe déterminés en Mode I et Mode II.
vers Taux de libération de l'énergie G

Méthode d'essai cyclique dynamique

utilisées pour l'estimation de la durée de vie des éprouvettes, éléments structurels et composants notamment dans l'industrie médicale.
vers Méthode d'essai cyclique dynamique

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