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5 - PRINCIPE DES MATERIAUX COMPOSITES.

Si l'on observe les caractéristiques mécaniques des matériaux précédents, on constate que les résines ont un module d'élasticité et une résistance mécanique quasiment négligable par rapport à ceux des fibres précédentes. On constate même que les valeurs relatives aux fibres sont de l'ordre de ceux de certains métaux performants et avec une densité bien moindre. Malheureusement ces matériaux ne sont formés que de filaments de très faible diamètre. Pour obtenir un objet quelconque, il faut incorporer ces fibres dans des résines avant leur durcissement ou, même mieux, coller les fibres entre elles avec ces résines (ce qui revient au même mais avec une très forte proportion de fibres dans la résine). A priori on pourrait se poser la question de l'intérêt qu'il y a d'agglomérer des fibres de verre à la place de réaliser l'objet directement en un bloc de verre. Il est bien connu que le verre se casse facilement; par contre une fibre de verre est extrêmement solide si l'effort s'exerce dans la direction de la fibre. Ceci est dû à un certain alignement des chaines moléculaires (ou plans de cristaux) dans le sens de la fibre (réalisé lors de la fabrication de cette dernière). On a donc crée une direction priviligée au niveau des capacités mécaniques du matériaux. Par contre, d'autres matériaux (les métaux par exemples) ont en général des caractéristiques mécaniques identiques dans toutes les directions. Ces matériaux sont alors dits isoptropes. Les résines durcies le sont également.

Donc l'une des caractéristiques de ces matériaux composés de fibres orientés et de résines (appelées matériaux composites) est d'avoir des propriétés mécaniques remarquables dans certaines directions priviliégiées ( et d'être en plus légères).

Envisageons le cas d'un cylindre ou d'un parallèlipipède d'une certaine longueur et dont toutes les fibres ( de même nature) sont orientées dans le sens de la longueur. Si k est la proportion de fibre dans le volume total et si l'on désigne par F le module de la fibre et par R celui de la résine, alors le module C du composite sera C = kF+(1-k)R (autrement dit: la moyenne arithmétique des modules pondérés par les proportions en volumes des matériaux). Compte tenu des valeurs de R, très faibles devant celles de F, on ne peut retenir que le terme kF. Donc au niveau d'un composite avec par exemple 60% de fibres en volume, le module sera 60% celui de la fibre. Il en sera aussi de même pour la résistance à la traction ou la compression (ramenée par unité de section). Donc les composites les plus performants seront ceux qui contiennent le taux le plus élevé de fibres.

Si maintenant on considère le cas où toutes le fibres sont perpendiculaires à l'axe longitudinal du cylindre, on constate que la valeur du module sera voisin de celui de la résine. Autrement dit, l'effet de renforcement de la fibre devient nul.

Considèrons un exemple avec un renforcement par tissus, de telle sorte que la moitié des fibres soient dans le sens longitudinal et l'autre moitié transversales et avec un taux de 60% de fibres en volume au total. Le rendement dans le sens longitudinal ne sera que de 30% (qui correspond au taux de fibres dans ce sens). Dans ce cas, on aura aussi un renforcement transversal. Ainsi il est possible de priviliégier une direction mais ceci se fait souvent au détriment des autres.

Dans le cas général, le module (dans le composite) d'une fibre orientée avec un angle "a" par rapport à l'axe de l'effort, s'obtient en multipliant le module de la fibre par cos(a) élevé à la puissance 4. (Avec un angle de 45 degrés, il ne reste donc plus que 25% d'efficacité du module de la fibre)

Dans toutes ces études, nous avons raisonné sur des sections et sur des volumes. Notre étude précédente permet de faire des comparaisons sur les divers composites à égalité de volume. Dans certaines réalisations ce n'est pas l'épaisseur du matériau qui est imposé ou limité mais c'est le poids. Dans ce cas, il faut faire des comparaisons à égalité de poids et non de volume. Il nous faut alors considérer le module divisé par la densité du matériaux (module spécifique). C'est lui qui est alors significatif pour faire des comparaisons sur l'élasticité et les résistances aux efforts.

Si l'on s'intéresse à la flexion d'une plaque en matériau composite homogène avec des comparaisons à égalité de masses, l'utilisation d'un matériaux léger permet d'obtenir une plus grande épaisseur à égalité de masse. Cette épaisseur sera inversement proportionnelle à la densité du composite et comme la flèche à la flexion est proportionnelle au cube de l'épaisseur (composite homogène), il faut alors prendre pour référence le module divisé par la densité élevée au cube. (non valable pour une structure dite sandwich).

Exemples de caractéristiques de divers composites unidirectionnels (contrainte dans le sens des fibres):

Suite février 2003 -> Explication de ce tableau et conséquences

->les renforcements mixtes utilisant des fibres de natures différentes (avantages, inconvénients et problèmes)