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RÉSUMÉ
Les matériaux composites possèdent des propriétés mécaniques et physiques très recherchées, qui sont fonction non seulement de leurs constituants de base, mais aussi de la qualité de la liaison entre renfort et matrice. Mais, cette zone interfaciale, qui ne se forme que lors de la fabrication de la pièce composite, est complexe et assez mal définie. De plus, les modifications superficielles subies ensuite par les matériaux des renforts (ensimages et traitements de surface) interviennent grandement dans la création de cette liaison renfort/matrice. Cet article tente de mettre en évidence la complexité de cette structure et l’importance industrielle de sa maîtrise, ainsi que les différentes méthodes expérimentales permettant de la caractériser.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Anne BERGERET : Docteur Ingénieur, Maître-Assistant à l’École des Mines d’Alès - Responsable de l’équipe Formulation des Matériaux du Centre des Matériaux de Grande Diffusion de l’École des Mines d’Alès
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Patricia KRAWCZAK : Professeur à l’École des Mines de Douai - Responsable du Département Technologie des Polymères et Composites de l’École des Mines de Douai
INTRODUCTION
Matériaux hétérogènes, essentiellement biphasiques, constitués d’une matrice polymère renforcée de fibres ou de charges, les composites présentent des atouts mécaniques et physiques très attractifs avec des propriétés qui sont fonction de celles de leurs constituants de base (renfort et matrice). Toutefois, l’expérience montre que la nature et la qualité de la liaison entre renfort et matrice, nommée interface ou interphase, jouent également un rôle essentiel dans la définition des caractéristiques de ces matériaux, même si les mécanismes mis en jeu à ce niveau demeurent relativement délicats à maîtriser. Le problème réside en effet dans le fait que la notion d’interface est relativement floue, que la zone interfaciale n’existe pas en soi mais ne se forme que lors de la fabrication de la pièce composite, et qu’il est donc difficile de lui attribuer un ensemble de caractéristiques propres.
En conséquence, l’objectif de la première partie de ce dossier est de mettre en évidence la complexité de la structure de la liaison renfort/matrice et l’importance industrielle de sa maîtrise [AM 5 305, § 1]. On examinera ensuite l’apport des différentes méthodes expérimentales de caractérisation disponibles pour analyser la zone interfaciale [AM 5 305, § 2]. Les différentes voies par lesquelles sa contribution peut être introduite dans les modèles de comportement du composite seront étudiées dans une deuxième partie . La troisième partie de ce dossier s’attachera, quant à elle, à illustrer sur la base d’exemples variés l’influence de la liaison renfort/matrice sur le comportement de composites industriels. Les références bibliographiques se trouvent en .
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1. Définition et structure de la liaison renfort/matrice
1.1 Ensimages et traitements de surface
Les renforts utilisés pour constituer les matériaux composites (majoritairement verre et carbone, et depuis peu renforts naturels) subissent généralement des modifications superficielles après fabrication (ensimages et traitements de surface), qui jouent un rôle essentiel dans la création de la liaison renfort/matrice (ou interface).
le lecteur pourra se reporter aux articles Fibres de verre de renforcement [A 2 110], Fibre de carbone [A 2 210] pour un complément d’information sur la fabrication de ce type de renfort, leurs ensimages et traitements de surface.
Dans le cas des fibres de verre, qui sont les fibres les plus connues, une dispersion aqueuse de produits chimiques contenant environ 90 % d’eau, appelée ensimage, est déposée en sortie de filière sur les filaments de renfort. La quantité d’ensimage (appelée extrait sec) déposée est relativement faible, comprise entre 1 % pour les ensimages de composites thermoplastiques et 3 % pour les ensimages de composites thermodurcissables par rapport à la masse de verre, mais reste déterminante pour la formation de la liaison verre/matrice, et donc pour les performances finales du composite. D’une manière générale, l’ensimage est constitué d’un agent de couplage (ou de pontage), d’un agent filmogène collant, d’un lubrifiant et d’agents antistatiques. Même si l’agent filmogène collant est le constituant majoritaire de l’ensimage (environ 80 % en masse par rapport à l’extrait sec de l’ensimage), l’agent de couplage est sans conteste l’élément le plus déterminant en terme d’amélioration des performances mécaniques du composite. Très schématiquement, il comporte deux fonctions réactives qui assurent un accrochage d’une part au verre et d’autre part à la matrice polymère. Quelques agents de couplage typiques, adaptés à différents polymères, sont listés dans le tableau 1.
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BIBLIOGRAPHIE
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(1) - NORWOOD (L.S.) - Fibre reinforced polymers - , in Handbook of polymer composites for engineers, Ed. L. Hollaway, Woodhead Publ., Cambridge, UK (1994) 338 p.
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(2) - DRZAL (L.T.), RICH (M.J.), LLOYD (P.F.) - Adhesion of graphite fibers to epoxy matrices. I. The role of fiber surface treatment - , Journal of Adhesion, 16 (1983) 1-30.
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(3) - HERRERA-FRANCO (P.J.), DRZAL (L.T.) - Comparison of methods for the measurement of fibre/matrix adhesion in composites - , Studies in Applied Mechanics – 29, Elsevier Publ. (1991).
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(4) - LARIVIÈRE (D.), KRAWCZAK (P.), TIBÉRI (C.), LUCAS (P.) - Hydrothermal aging of GF/PP composites : When glass/polymer adhesion favours water entrapment - , Polymer and Polymer Composites, 13, 3 (2005) 27-35.
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(5) - PIRES (I.) - Vieillissement dans l’antigel de matériaux composites polyamide-6,6 renforcé par des fibres de verre courtes - , Thèse de doctorat, Université Montpellier (2000).
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