Approches rhéologiques et mécaniques des matériaux composites à fibres courtes

Composite Materials with short fibers - rheology and mechanical properties

• Auteur / Autrice : Yves Schmitt
• Direction : François-Xavier Royer, Carl Paulick
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance en 1999
• Etablissement(s) : Metz

Mots clés

Mots clés contrôlés

Propriétés mécaniques

Composites à fibres

Polymères -- Rhéologie

Résumé

L'objectif de ce travail est de développer des matériaux composites à fibres courtes aux propriétés mécaniques spécifiques élevées à partir de mélange (résine + renforts) ayant une faible viscosité pour un moulage de structures complexes. Dans le but de réduire la viscosité des mélanges élaborés, le vide et les ultrasons ont été utilisés pour homogénéiser les suspensions. A également été mis en évidence que l'ajout d'un faible taux de microbilles (<2% en volume) dans un polymère au comportement rhéofluidifiant et/ou thixotrope permet un gain jusqu'à 20% en viscosité par rapport au polymère sans charges. Ce gain en fluidité est conservé pour les mélanges étudiés et permet l'augmentation du taux volumique de fibres pour une viscosité équivalente. Cette découverte a donné lieu à un dépôt de brevet en 1997. L'étude de l'influence de la viscosité de la matrice a permis de mettre en évidence l'existence de deux domaines de comportement rhéologique des mélanges composites. Dans le premier domaine, la viscosité de la matrice est prédominante et la viscosité du mélange décroit fortement avec celle-ci. Le deuxième domaine correspond à un plateau de viscosité ou les interactions fibre-fibre sont prédominantes sur la viscosité de la matrice. L'étude des propriétés mécaniques des matériaux composites ainsi élaborés a permis de montrer que dans le cas de fibres de longueur moyenne de 200 m, une bonne tenue mécanique n'est obtenue que dans le cas d'une matrice à module élastique élevé. Pour mettre en évidence l'influence du module et de la déformation à la rupture de la matrice, 12 résines époxydes différentes dont 9 synthétisées pour cette étude ont été utilisées. La synthèse de ces différents résultats a permis de réaliser un matériau composite à matrice époxyde et à fibres de carbone courtes moulable à basse pression et possédant des propriétés mécaniques spécifiques comparables à celles de l'aluminium. (Module d'élasticité : 28 GPa, contrainte à la rupture : 220 MPa, densité : 1400 kg. M-3, fraction volumique : 30%)

The aim of this work is to develop new composite materials on very short fibers which present at the same time good mechanical properties and a low viscosity of the liquid phase to be used for the molding of complex structures. To reduce the viscosity of the suspensions vacuum and treatment by ultrasound was used. It is shown, that the viscosity of a polymer material which exhibits shear thinning flow can be lowered substantially (up to 20%) by the addition of a small quantity of microspheres (<2%). The gain in fluidity is preserved for the mixtures studied. Consequently a material with higher content in fibers can be made having the same viscosity. For the applications of this discovery a patent was filed in 1997. The rheology of various mixtures with several resins had been studied. As a result two regions of different flow behavior are found : within the first regions the viscous flow essentially is determined by the matrix whereas in the second region the main contribution comes from the fiber-fiber interactions. Therefore a reduction of the viscosity of the matrix below a certain level does not yield a gain in fluidity of the suspension. Studies of the mechanical properties show that strong composites based on fibers of about 200μm only could be made if the matrix has an elevated Young's modulus. Twelve different epoxy resins (including 9 which were made especially for this study) are used in order to demonstrate the influence of the Young modulus and the strain of the matrix. Today based on the results mentioned above a composite material can be made from an epoxy resin and carbon fibers (30% in volume) which offers specific properties comparable to a standard aluminum : (Young's modulus – 28GPa ; ultimate strength – 220 Mpa; density – 1400 kgm-3).