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Contribution à  la détermination des paramètres ultrasonores des gondolements des fibres dans un matériau composite à  matrice céramique renforcé des fibres du «rhectophyllum camerunense

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par Emmanuel Georges MBEI LISSOUCK
Université-Douala ( UFD Physiques et Sciences de l'Ingénieur) - DEA Mécanique-Matériaux 2008
  

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CHAPITRE I : PRÉSENTATION DES MATÉRIAUX COMPOSITES

1.1. INTRODUCTION

Un matériau composite peut être défini comme l'assemblage de plusieurs matériaux de natures différentes à l'échelle microstructurale. Les composites sont le plus souvent constitués d'une matrice dans laquelle on a dispersé de façon contrôlée ou non des renforts (fibres). La matrice maintient les renforts et assure les transferts de charge, tandis que les renforts apportent principalement leurs caractéristiques mécaniques élevées (modules et limites d'élasticité, résistance mécanique...) [2]. Cette association a pour but d'obtenir un matériau dont les propriétés spécifiques (propriétés mécaniques rapportées à la masse volumique) sont supérieures à celles de la matrice non renforcée. Le concept de matériau composite, par le choix des constituants et de leurs proportions respectives, ainsi que par le choix de la forme, des dimensions et de la disposition des renforts, permet donc de concevoir un matériau présentant les caractéristiques spécifiques recherchées.

1.2. DIFFERENTS TYPES DE COMPOSITES

La nature du matériau constituant la matrice permet de répertorier trois grandes classes de composites. Elles sont considérées ici par ordre croissant de tenue en température : les composites à matrice polymère (C.M.P.), les composites à matrice métalliques (C.M.M) et les composites à matrice céramique (C.M.C.), il est alors possible d'associer à ces trois types de matrices soit des renforts discontinus, dont toutes les dimensions sont très inférieures aux dimensions de la pièce, soit des renforts continus, dont au moins une dimension est du même ordre de grandeur qu'une dimension de la pièce. Les matériaux utilisés, comme renforts sont des fibres qui présentent de bonnes propriétés mécaniques intrinsèques (carbone, alumine, silice, kevlar, acier...). Selon l'application envisagée, l'assemblage de ces fibres peut être unidimensionnel (plis unidirectionnels), bidimensionnel (plis tissés, mats à fibres coupées de quelques centimètres ou à fibres continues) ou tridimensionnel (tissus multidimensionnels) [2].

1.2.1. Les Composites à Matrice Polymère (C.M.P)

La fabrication des C.M.P. emploie deux types de matrices : les résines thermodurcissables qui représentent 3/4 des C.M.P. actuels (époxyde, polyester, vinyles ter, polyuréthane...) et les résines thermoplastiques (polypropylène, polyamide...) qui sont moins utilisées mais en pleine progression du fait notamment d'une plus grande recyclabilité (réutilisation après broyage). Les matrices polymères renforcées par des fibres de verre, employées notamment dans les produits de

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grande diffusion, sont d'une grande importance industrielle. Les fibres de carbone et de Kevlar sont utilisées dans une moindre mesure pour des applications hautes performances dans l'aéronautique et l'aérospatiale. D'autres types de renforts sont employés tels que des billes (verre, élastomère...) et des charges (fibres broyées, poudres...). Les pièces en composite à matrice polymère prennent des formes variées (coques, plaques, pièces de révolution...) grâce aux nombreux procédés de formage mis au point (moulage, pultrusion, estampage, enroulement filamentaire) [3]. Ces composites permettent un allègement des pièces de structure habituellement fabriquées en alliages métalliques. L'utilisation des C.M.P. reste limitée au domaine de températures inférieures à 200°C.

1.2.2. Les Composites à Matrice Métallique (C.M.M)

Pour des applications plus haute température, on fait appel aux composites à matrice métallique (C.M.M) jusqu'à 600°C. Les métaux ou alliages métalliques utilisés dans la fabrication des C.M.M., sont généralement choisis en fonction de leurs propriétés spécifiques dans l'état non renforcé [4]. Ainsi, l'aluminium, le titane et le magnésium sont les métaux les plus couramment utilisés. Les procédés de fabrication des C.M.M. diffèrent selon que la matrice se trouve lors de l'introduction des renforts à l'état liquide (forgeage liquide, fonderie moyenne pression), dans un état semi-solide ou dans l'état solide (métallurgie des poudres). Les C.M.M. présentent de bonnes caractéristiques mécaniques spécifiques, une bonne résistance en température et aux chocs thermiques ainsi qu'une bonne résistante à l'usure et à l'abrasion.

1.2.3. Les Composites à Matrice Céramique (C.M.C.)

Enfin, lorsque les températures d'utilisation sont supérieures à 1000°C on a recours aux composites à matrice céramique (céramiques industrielles). Leur renfort est généralement constitué de fibres longues en carbone, en silice ou en carbure de siliciums, assemblées par tissage multidimensionnel. Ces matériaux sont développés dans le domaine aérospatial. D'autres par contre sont utilisés pour l'ingénierie bâtiment. Aujourd'hui les recherches sont actives sur les possibilités de combinaison des fibres naturelles comme renfort dans les matériaux composites à matrice céramique.

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I.3.COMPORTEMENT DE L'INTERFACE FIBRE / MATRICE DANS LES
COMPOSITES A MATRICE CERAMIQUE

I.3.1. Généralités

Les propriétés d'un composite dépendent fortement des caractéristiques physico-chimique des constituants primaires tels que renfort (fibres, particules... etc.) et matrice. Mais le comportement résultant du composite ne peut pas être représenté comme une combinaison simple des propriétés de chacun des constituants.

D'autres facteurs aussi importants que le choix des constituants sont liés directement à la performance du composites : le procédé de fabrication de ce composite et les propriétés de l'interface fibres et matrice.

Fig.1.1.Paramètres qui conditionnent les performances d'un composite

En effet, il est reconnu que le comportement mécanique des composites à matrice céramique à renforts fibreux dépend fortement de la liaison fibre/matrice qui s'établit entre les constituants lors de l'élaboration du composite [27].Cette liaison est constituée d'une ou de plusieurs interphases et interfaces. Rappelons tout d'abord la distinction entre les termes interphase et interface :

L'interphase est un milieu continu qui peut être une zone de réaction chimiquement formée par les constituants du composite lors de son élaboration, ou une fine couche introduite volontairement dans le but de protéger la fibre ou de contrôler la liaison inter-faciale (Fig.1.2.a).

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L'interface est un terme utilisé dans le domaine des matériaux composites, pour décrire la surface ou la zone qui sépare la fibre et la matrice (discontinuité macroscopique) (Fig.1.2.b).

Fig.1.2. Concepts d'interphase et d'interface [29]

C'est dans cette zone que s'effectue précisément le transfert de charge de la matrice vers le renfort (ou vice vers) et elle est également le siège de concentration de contraintes résiduelles lors de la préparation du composite.

Pour que le transfert de charge ait lieu, un certain contact ou adhérence à l'interface entre les constituants est nécessaire. Comme caractéristiques de cette adhérence (caractéristiques de l'interface) il ya : la contrainte de décohésion (Td), la contrainte de frottement (T ), le coefficient de frottement (j.t), la microstructure, l'énergie d'adhésion et d'autres grandeurs physico-chimiques. Suivant ces caractéristiques, le comportement du composite est déterminé.

I.3.2. comportement d'un composite unidirectionnel (rôle de l'interface)

Dans un composite céramique unidirectionnel sollicité parallèlement aux fibres, le comportement à rupture peut être imaginé comme étant constitué des séquences suivantes (Fig.1.3.) : d'abord, fibres et matrice subissent la même déformation ; le composite possède donc un comportement linéaire élastique (domaine OA) jusqu'à l'apparition d'une première fissure matricielle. Cette fissure se propage et s'approche d'une fibre, ensuite on peut distinguer les cas suivants

-Cas d'une interface très forte : si l'adhérence entre fibres et matrice est forte, la fissure continue
sa propagation comme si elle n'avait rencontré aucun obstacle (Fig.1.3.a).Cela entraine aussi des
concentrations de contraintes sur les fibres voisines et provoque la rupture catastrophique du

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composite (domaine AE, Fig.1.3). Le comportement du composite est celui d'un matériau fragile et les fibres n'exercent aucun effet de renforcement sauf éventuellement par leur énergie de rupture.

Cas d'une interface très faible : si l'interface est trop faible, la fissure matricielle est bien déviée à l'interface, mais la décohésion entre fibres et matrice s'étend sur une très grande distance sur laquelle la matrice n'intervient donc plus. Dans ce cas, la résistance du composite est très faible. Cas d'une interface relativement faible et assez forte : si l'adhérence entre fibre et matrice est relativement faible, la fissure au contact d'une fibre se dévie dans un plan perpendiculaire (mode II de la rupture) en provoquant un décollement de la matrice au niveau de l'interface. La fissure continue à se propager en répétant le même scénario avec les autres fibres jusqu'à ce qu'elle traverse tout l'échantillon (Fig.1.3, b). Si la fraction volumique des fibres Vf est suffisamment élevée et l'interface assez forte, il peut s'opérer un transfert de charge matrice -fibres permettant à ces dernière de supporter la surcharge due à la fissuration matricielle ; celle- ci peut s'étendre jusqu'à saturation en accord avec le principe énergétique développé par AVESTON et al [29] (domaine AB, Fig.1.3).

MEMOIRE DE MASTER II RECHERCHE 8 2008-2009

Fig.1.3 : Rupture d'un composite à matrice céramique dans un test de traction selon la qualitéde l'interface : interface forte (a) et interface relativement faible (b).

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Ensuite l'essai se poursuivant, les fibres portent la fissure et jouent leur rôle de renfort en supportant la sollicitation : elles se déforment élastiquement en frottant dans les gaines de matrice (domaine AC). Dans cette étape la décohésion se propage au long des fibres et une étape de glissement pour extraire les fibres, après leurs rupture.

Dans le domaine CD de la couche, outre le rôle de l'interface, les fibres commencent à se rompre progressivement en accord avec la statique de Weibull.

Enfin, suivant les caractéristiques de l'interface, il y a soit rupture brutale (DE) soit contrôlée (CD).

Les caractéristiques de l'interface sont fonction de plusieurs paramètres : les propriétés physico-chimiques des constituants (fibres et matrice). La microstructure de l'interface (interphase et rugosité). Les contraintes thermiques résiduelles, la méthode d'élaboration du composite.

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