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RÉSUMÉ
Les propriétés mécaniques et physiques des matériaux composites sont fonction non seulement de leurs constituants de base, mais aussi de la qualité de la liaison entre renfort et matrice. Cet article tente d’illustrer les conséquences d’une modification de cette interface sur les caractéristiques des composites industriels. Ainsi, sont passés en revue le comportement mécanique instantané et à long terme, le comportement au vieillissement en milieux hostiles, la tenue au feu et la biodégradabilité. Des exemples variés sont utilisés pour illustrer ces multiples variations de comportement.
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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
Les deux premières parties de ce dossier se sont attachées à définir et mettre en évidence l’importance pratique de la liaison renfort/matrice au sein des matériaux composites, puis à présenter les différentes méthodes expérimentales de caractérisation et approches théoriques de modélisation de cette zone interfaciale (ou interphase). L’objectif de cette troisième partie est, quant à lui, d’illustrer l’influence de la liaison renfort/matrice sur le comportement de composites industriels. Les conséquences d’une modification de l’interface sur le comportement mécanique instantané et à long terme (fatigue dynamique, fluage, stress-cracking), le vieillissement (notamment en milieux hostiles), mais aussi la tenue au feu ou encore la biodégradabilité, sont mises en évidence sur la base d’exemples variés (résultats expérimentaux obtenus sur éprouvettes mais aussi sur pièces industrielles, selon les cas pour des composites à matrices thermoplastiques ou thermodurcissables, renforcées de charges ou de fibres de natures diverses, soit coupées, soit continues, éventuellement recyclées). Les références bibliographiques sont reportées dans la partie .
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1. Comportement mécanique instantané
Le comportement mécanique instantané (traction, flexion, cisaillement, compression, choc) du composite à matrice organique (thermoplastique ou thermodurcissable), qu’il soit renforcé de fibres continues unidirectionnelles ou multidirectionnelles, de fibres coupées courtes ou longues, ou encore de particules sphériques, est sensible à l’état de la liaison renfort/matrice.
Dans le cas des matériaux globalement isotropes, renforcés de billes ou de fibres coupées (courtes en général) et souvent assimilés à des « polymères chargés », le choix adapté d’un traitement de surface du renfort ou d’un couplage de la matrice, donc l’optimisation de la qualité interfaciale, permet en général d’améliorer les performances mécaniques en traction, flexion ou choc, dans des proportions variables toutefois selon les cas et les caractéristiques considérées. C’est ce qui est illustré dans le tableau 1 pour diverses configurations de matrices (époxy, PA6, PP, PBT, PET, PEbd) et de renforts (billes de verre, fibres de verre).
Dans le cas des composites unidirectionnels, d’une manière générale, comme déjà évoqué dans la partie , les propriétés gouvernées par le facteur fibre (modules et propriétés longitudinales à la rupture en traction et en flexion, modules de compression, cisaillement plan et interlaminaire) sont relativement peu influencées par les variations de la qualité de l’interface renfort/matrice, alors que les propriétés gouvernées par le facteur matrice au sens large, incluant la notion d’interphase (propriétés à la rupture en traction et en flexion dans le sens transversal, en compression, cisaillement plan et interlaminaire) en sont extrêmement dépendantes. Le tableau 2 illustre cet aspect pour différents couples renfort (carbone, verre, polyéthylène) / matrice (époxy, PP).
Une constante dans le développement des composites est aussi souvent l’antagonisme entre la résistance et la ténacité. Cela est illustré dans le cas des fibres de carbone par la figure 1...
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