MATERIAUX COMPOSITES
A MATRICE ORGANIQUE (CMO)
Prof. Xavier COLIN
ARTS ET METIERS ParisTech  PIMM (UMR 8006)
Email: xavier.colin@ensam.eu

Plan du cours :
 Fibres de verre
 Fibres de carbone
 Fibres de polyamide aromatique
 Adhésion à l’interface fibre/matrice
ATHENS
 FIBRES DE VERRE

 Renfort le plus répandu
 Caractéristiques mécaniques intéressantes
 Prix de revient modéré

 Essentiellement composé de SiO2 amorphe (vitrifiant)
 Obtenue par fusion (vers 1700°C) et refroidissement de la SiO2
cristallisée (sable, quartz, etc.)

 SiO2 fondue formée d’un réseau tridimensionnel de liaisons covalentes
 Liaisons siloxanes : SiOSi
 A priori indéformable
 Comment expliquer son comportement rhéologique ?
(écoulement)
ATHENS
  Réaction d’échange
 Un certain nombre de liaisons pontales se défont et se reforment en
position relaxée




 Catalysée par une faible concentration de groupements silanols
formés par hydrolyse du réseau (traces d’eau)
ATHENS
  Réduction du nombre de liaisons pontales du réseau tridimensionnel par
addition de cations métalliques : Na2O, K2O, CaO et MgO (fondants)




 Forte diminution de la viscosité
 Ex. Addition de 2,5% mol. de K2O
h = 2  106 → ≈ 200 Pa.s à 1750°C

 Au-delà d’une concentration critique de fondants
 Réseau tridimensionnel transformé en îlots reliés entre eux par des
cations
 Liaisons ioniques, plus labiles que les liaisons covalentes
polaires initiales (SiO)
 Filage à plus basse température  1200°C
ATHENS
  Verres les plus courants
 Verre à vitre  (SiO2)5(Na2O)(CaO)
 Propriétés mécaniques moyennes
 E = 70 GPa et sR = 3,6 GPa
 Extrême fragilité (présence de microfissures en surface)

 Stabilisation de la structure (stabilisants) et ajustement des performances
du verre par addition de
 Al2O3  Amélioration des propriétés mécaniques
 B2O3  Propriétés diélectriques
ATHENS
 Différentes nuances de verre

E  Borosilicate d’aluminium initialement développé pour ses
propriétés électriques
 Eutectique  (SiO2)0,62(CaO)0,233(Al2O3)0,147 (% mass.)
 Filage à plus basse température  1000°C

R et S  Renforts de composites structuraux
 Concentration en Al2O3 > 20% mass.
 Concentrations en B2O3 et oxyde alcalin (Na2O, K2O) < 1% mass.
 Filage à plus haute température  1500°C
 Prix de revient élevé

C  Résistance aux acides


D  Applications diélectriques
 Concentration en B2O3 > 22% mass.
  Composition chimique des verres


Composition (% massique)
Constituants
E R S C D
Silice SiO2 53-55 60 64-65 60-65 73-74
Alumine Al2O3 12-16 25 20-25 2-6 0,5
Chaux CaO 9 0 14
20-24 0,4-0,6
Magnésie MgO 6 10-15 1-3
Oxyde de bore B2O3 5-9 0 0-1,2 2-7 22-23
Fluor F 0-1 0 0 0 0
Ferrite Fe2O3 et titane TiO2 0,3-1 0 0 0 0-0,1
Soude Na2O et potasse K2O 0,4-1 traces 0-1,1 8,5-10,5 2,5-2,8
ATHENS
  Fabrication des fibres de verre E

 Filières en alliage de Pt et Rh
comportant 400–4000 orifices
de f = 1–2 mm

 T filage très précise
Ex. 1000  1°C
 Assurer la constance de f

 Filaments étirés à grande vitesse
(60 m.s-1) et refroidis à l’air
puis l’eau

 f = 5–25 µm

 Ensimage, réunion des filaments
Janvier 2013




pour former un fil de base
(ou mèche) puis bobinage
  Rôle de l’ensimage

 Agent protecteur
 Protège l’intégrité physique du fil de verre pendant les
manipulations
Evite les problèmes d’abrasion, de formation des défauts
de surface

 Agent collant et lubrifiant
 Assure la cohésion et la lubrification des fibres pendant la
transformation du fil en structure textile (tissus, tricots,
superstructures nD)

 Agent de couplage
 Augmente l’adhésion entre la fibre et la matrice polymère
ATHENS
  Différents types d’ensimage

 Ensimage textile (T)
 Facilite le tissage du fil mais incompatible avec les résines
 Désensimage thermique ou chimique avant le retraitement
du tissu avec un agent de couplage

 Ensimage plastique (P)
 Contient un agent de couplage adapté aux résines
Ex. Organo-silane ou complexe chromé

 Ensimages textilo-plastiques (L)
 Combinent les propriétés des ensimages précédents
 Compatibles avec les résines (pas de désensimage)
ATHENS
 FIBRES DE CARBONE

 Renfort le plus courant des CMO structuraux

 Exs d’applications
 Aéronautique
 Avions de ligne A320, A340 (fraction massique ≈ 20%)
Ex. Poutres ventrales, bords d’attaque de voilure,
fonds arrières de fuselage, entrées d’air,
nacelles de moteur, etc.
 Sport et loisirs
 Raquettes de tennis
 Structures de cerfs-volants
 Flèches d’arcs
 Piquets de tentes, etc.
ATHENS
  Structure de base découle de celle du graphite

 Superposition de plans
graphitiques dans lesquels
les atomes de C sont
disposés aux sommets
d’hexagones réguliers

 Atomes de C reliés entre
eux par des liaisons fortes
s ayant des ē p fortement
délocalisés

 Plans reliés entre eux par
des liaisons secondaires
beaucoup plus faibles
résultant d’interactions
entre ē p de plans voisins
ATHENS
  Anisotropie de la structure du graphite  Anisotropie de ses propriétés
physiques et mécaniques
 Sens parallèle aux plans graphitiques
 Propriétés mécaniques proches de celles du diamant
E = 1 015 GPa
 Sens perpendiculaire
 Propriétés mécaniques  30 fois plus faibles
E = 35 GPa
 Recherche d’un alignement préférentiel des plans graphitiques dans l’axe
de la fibre (i.e. dans la direction d’application de la contrainte mécanique)

 Obtention de la fibre de carbone à partir d’une fibre précurseur
 Acétate de cellulose  Rayonne
 Acrylique  Polyacrylonitrile (PAN)
ATHENS




 Brai de pétrole ou de la houille du charbon
 Fabrication à partir de la fibre PAN

 Procédé de fabrication de la plupart des fibres de carbone développé en GB
et au JP dans les années 1960

 Principaux avantages de la fibre de PAN :
 Fibre textile riche en carbone
 49% en m...