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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COMPOSITE Á MATRICE CERAMIQUE RENFORCÉ DES
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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).
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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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