Introduction aux composites renforcés de fibres

Les composites, qu'est-ce que c'est ?

Les composites, simples ou renforcés de fibres, sont composés d’au moins deux matières différentiables au niveau macroscopique, unies pour améliorer les propriétés du matériau. Généralement, une structure fibreuse est coulée dans une résine (matrice) puis cuite.

Pour cela, les fibres et faisceaux de fibres sont tissés en un textile ou toile. Étant donné que la plupart des méthodes de tissage de ces fibres sont dérivées de l’industrie textile, la terminologie spécifique à ce secteur est largement reprise dans le cadre de l’assemblage de fibres de renfort en toiles. Ce sont les fibres qui déterminent la résistance et la rigidité du matériau composite. Un matériau intégrant un alignement de fibres peut être nettement plus solide dans le sens des fibres que le même matériau dépourvu de fibres. L’augmentation de rigidité est moins sensible lorsque la force est exercée perpendiculairement au sens des fibres. Si la résistance est moindre dans ce sens, c’est parce que les fibres concentrent la tension. Dans la pratique, on incorpore souvent un réseau de fibres orientées dans plusieurs directions.

Les modèles possibles sont nombreux*:

Fibres unidirectionnelles Fibres bidirectionnelles Fibres courtes

Le graphique ci-dessous montre la contribution des fibres à la résistance d’un composite :

**Les nanocomposites utilisent, en guise de matériau de renfort, de minuscules fibres de l’ordre du nanomètre

De quoi sont composés les composites ?

Voici quelques-unes des fibres couramment utilisées :

Fibre de verre (PRFV ou GFRP)
Fibre de carbone (PRFC ou CFRP)
Fibre de céramique
Fibre polymère
Fibre minérale
Fibre naturelle (PRFN ou NFRP)
Fibre d’aramide (PRFA ou AFRP)

Les résines utilisées sont la résine époxyde, la résine polyester et la résine polyuréthanne.

Quels sont les champs d’application des composites ?

Industrie aérospatiale (fuselage, pièces d’entraînement, composants aérodynamiques, etc.)
Industrie automobile (éléments de châssis, composants aérodynamiques)
Corps de gros véhicules (trains, camions et bus)
Marine (structures de coques)

Éoliennes (pales)
Équipements sportifs
Infrastructures et bâtiments (réparation de bâtiments, ponts en PRFV)
Ingénierie médicale (prothèses, tables à rayons X)

Quels sont les avantages des composites ?

Excellent rapport poids/résistance, et meilleure rentabilité du carburant
Propriétés supérieures de résistance et d’élasticité
Libre façonnage des matériaux (force, rigidité, résistances thermique et électrique, forme, fonction)

Résistance aux températures
Résistance chimique
Haute résistance à la corrosion

Pourquoi faut-il réaliser des mesures de contrainte sur les composites ?

La caractérisation des matériaux composites est essentielle pour garantir leur durabilité d’emploi. Pour cela, différents essais sont réalisés. La mesure de la déformation des composants est primordiale. La contrainte subie par la matière est un facteur critique de détermination de l’usure et de la durabilité.

Détermination des paramètres de durabilité de composants/structures sur banc d’essai ou sur le terrain
Détermination des propriétés matérielles d’échantillons d’essai standardisés. Il existe une multitude de normes d’essai des matériaux composites qui impliquent l’emploi de jauges de contrainte. Les essais les plus courants comprennent par exemple :

Essais de flexion (en 3 points, 4 points)
Essais de traction
Essais de cisaillement (interlaminaire)
Cisaillement de liaison (essai de collage)
Orifice ouvert/comblé
Compression après impact
Essais de compression
Essais de flexion par choc sur barreau entaillé
Essais de roulement percé

Difficultés liées aux essais sur composites

Il faut disposer de méthodes/d’instruments sophistiqué(e)s pour calculer le comportement structurel. Les propriétés mécaniques dépendent du sens (résistance, module d’élasticité, coefficient de Poisson, etc.), et bon nombre de composites avec fibres se comportent à l’inverse des substances métalliques : ils présentent des caractéristiques de rigidité différentes en fonction de la direction (orthotropie).

Pour ces matériaux, les méthodologies de calcul classiques ne peuvent être appliquées que dans des cas précis (ex. Tsai Wu). Il n’existe, en l’espèce, aucune méthodologie de calcul universelle et aucune norme de composant, à l’instar de la directive FKM pour les composants métalliques. Puisqu’il s’agit de structures stratifiées, la même chose s’applique à l’emploi des stratifiés quasi-isotropes. De nombreuses méthodes de calcul destinées aux matériaux composites ont déjà été élaborées.

Une autre difficulté consiste à convertir le signal de contrainte en tension mécanique.

Les mécanismes d’endommagement/ de défaillance sont complexes
- Rupture de fibre intermédiaire
- Delamination
- Apparition de fissures parallèles aux fibres
En général, les tolérances de fabrication sont plus difficiles à contrôler
- Orientation des fibres
- Décentrage de matrice
- Composés de fibre intermédiaire
- Accumulations de résine
- Corps étrangers
- Porosités
- Variations selon les lots

Plus cher que les matières métalliques traditionnelles
Sensible à la température
Sensible aux rayons UV
Difficile à recycler
Hauts coûts d’investissement (production)
En outre, il faut étudier la réaction thermoélastique :

Faible conductivité thermique : La conductivité thermique des matériaux composites est inférieure à celle des métaux classiques
Différences dans les tensions résiduelles du coefficient thermique (entre autres structures hybrides) et comportement de matériau anisotrope

Quelles jauges de contrainte conseille HBM pour prendre des mesures sur des composites ?

Cela varie selon les cas :

Nous recommandons d’utiliser la série Y (max. 5 % de contrainte) pour les essais statiques, de forte contrainte et éprouvette
Nous recommandons d’utiliser la série M (max. 1% de contrainte) pour les essais d’alternance de charge

Nous recommandons d’utiliser notre série Y pre-cablée pour les composites présentant une réaction critique à des températures de soudage classiques.

Certaines jauges de contraintes pour matériaux composites sont disponibles de stock.

Pour les essais structurels et d’échantillons, on utilise en général des jauges de contrainte linéaires
On utilise par exemple des jauges rosettes en T pour déterminer le coefficient de Poisson
Des rosettes à 3 grilles de mesure sont également utilisées, mais elles sont uniquement recommandées avec des matériaux homogènes, pour en déterminer les directions principales de contrainte et de tension

Choisir la longueur de la grille de mesure

Une jauge de contrainte intègre la contrainte sous la surface et mesure une contrainte moyenne.

Il faut choisir la longueur de la grille de mesure en fonction de l’objectif des essais. Pour mesurer les contraintes sur des composites, on opte souvent pour des grilles de 6 mm et 10 mm de long.

En principe, l’on peut appliquer, pour choisir la jauge de contraint adéquate, les mêmes règles que celles valables pour le béton : La longueur de la jauge de contrainte doit dépasser la distance des fibres d’au moins facteur 5. La largeur de la jauge de contrainte doit couvrir plusieurs fibres.

Des pics locaux de contrainte peuvent se produire en raison de la non-homogénéités de la matière. Dans ce cas, l’on peut recourir à des chaînes de jauges de contrainte pour déterminer le gradient de contrainte.

Bien souvent, les pics de tension entre les fibres correspondent à un multiple de la contrainte moyenne. Par conséquent, il est possible que la jauge soit surchargée à certains endroits, si son élongation maximale est atteinte ou dépassée, même si l’amplificateur affiche une contrainte nettement moindre. Il existe donc un risque que la JC soit surchargée (endommagée de façon permanente) en des points précis, ou que l’ensemble de l’installation soit défaillante. Pour éliminer ce problème, il faut insérer un mince film polyamide entre la jauge de contrainte et la pièce. Ce film doit être collé entre le composant et la jauge et assure une intégration préliminaire, c’est-à-dire qu’il « répartit » les pics de tension sur toute la grille de mesure de la jauge. Le placement de ce film doit seulement être envisagé si l’on attend des contraintes élevées, car il en résulte des couches plus épaisses.

Résistance des jauges de contrainte

HBM recommande l’emploi de jauges de contrainte de 1 000 ohms sur les matières qui refroidissent lentement. Sinon, des jauges de contrainte de 350 ohms peuvent aussi être choisies. Cependant, mieux vaut vérifier si la jauge de contrainte ou le composite risque de développer une hausse de température non admissible.

Tension d’excitation

Sur chaque jauge de contrainte, la tension est transformée en chaleur. Dès lors, les matériaux peu conducteurs tels que les composites renforcés de fibres présentent un échauffement de la jauge et de la pièce en surface. Afin que les mesures soient stables, il faut que le flux de chaleur Q corresponde à la puissance appliquée P.

P = Q

Le graphique ci-dessous montre l’évolution de l’échauffement de la grille de mesure d’une jauge de contrainte de 350 ohms sur un matériau à refroidissement lent :

Sur les métaux, il est fréquent d’observer l’échauffement de points de mesure ; un grand transfert de chaleur est surtout possible avec l’aluminium. Les composites présentent une conductivité thermique nettement moins grande.

Assurez-vous, sur les composites, de seulement débuter les mesures au terme d’une certaine phase d’échauffement, quand l’installation a atteint un état stable.

Pour les applications en quart-pont soumises à une tension d’excitation de 5 V, les valeurs suivantes s’appliquent :

une phase d’échauffement d’environ 3 à 4 minutes pour des instruments de mesure de 1 000 ohms
une phase d’échauffement d’environ 5 à 6 minutes pour des instruments de mesure de 120/230 ohms

Avec des matériaux à refroidissement lent tels que les composites, HBM conseille d’appliquer une tension d’excitation faible, < 2,5 V. Des tensions d’excitation supérieures entraîneraient un échauffement constant et important de la jauge de contrainte. Cette chaleur pourrait même s’accumuler dans le matériau. Le graphique ci-dessous montre les différences entre des tensions d’excitation de 0,5, 2,5, 5 et 10 V (CC) sur une grille de jauge de contrainte de 350 ohms :

Conseils concernant les matériaux composites (d’expérience) :

0,5 V pour les matières peu conductrices qui refroidissent lentement
1 V à 2,5 V pour les essais sur composites classiques

Correspondance des réactions à la température dans les applications en quart-pont

Les applications en quart-pont requièrent une correspondance optimale des réactions à la température, en raison des variations de température survenant au cours de mesures à long échéance. Dans ce cas, afin de limiter au maximum les signaux de contrainte thermique, il faut que la correspondance des réactions à la température de la jauge de contrainte s’aligne le plus possible sur le coefficient d’expansion thermique.

Cependant, il faut remarquer que les propriétés matérielles pourraient également différer à cause des tolérances de fabrication (enroulage des fibres, construction des couches, orientation des fibres, mode de fabrication (automatisé ou manuel)) et qu’il est donc uniquement possible d’obtenir une correspondance approximative des réactions à la température selon le composite renforcé de fibres qui est considéré.

De manière générale, il est recommandé de choisir des jauges de contrainte de code 6 pour les prises de mesures sur des composites (α = 0,5 · 10-6/K). Ceci peut changer dans certains cas :

Surface Cleaning

Il convient d’employer les solvants avec prudence sur les plastiques, car ils peuvent provoquer une expansion ou corrosion sous tension (l’emploi d’acétone, par exemple, est mauvais). Un risque de gonflement dû à l’humidité ou à la corrosion sous tension existe.
L’essence sans plomb et l’alcool isopropylique peuvent être considérés comme non dangereux, surtout au vu du bref temps de contact.
Dans les cas critiques, il faut toujours effectuer un essai préliminaire car vu le très grand nombre de plastiques modifiés, il est impossible d’établir des prévisions claires. Il en va de même en cas d’usage de détergent RMS1.
Si possible, n’utilisez aucun solvant pour nettoyer la surface. Les agents de nettoyage autorisés sont :
- L’eau déminéralisée
- L’éther de pétrole
- Le savon

Surface Roughening

Nous conseillons de préparer le point de mesure comme suit : Prenez une toile d’émeri (de grain 400) pour gratter la surface, puis lavez dans l’eau de vaisselle et rincez à l’eau (de préférence de l’eau déminéralisée).
Il faut que l’agent de démoulage et l’agent époxy de colmatage soient retirés (grain 400)
Frottez légèrement la surface avec un matériau abrasif pour activer l’opération (améliorer les propriétés de liaison de surface)
Pour améliorer les propriétés d’adhérence de surface, une autre solution consiste à activer le plasma de surface

Veuillez noter : Les couches inférieures de fibres ne doivent pas être abîmées par une abrasion trop en profondeur !

Choix de l’adhésif et de l’ancrage

Pour installer les jauges de contrainte, on peut appliquer n’importe quelle colle à froid du catalogue de HBM.

Z70 pour les surfaces lisses
X60 pour les surfaces composites rugueuses
X280 en cas de hautes températures (Remarque : une polymérisation différée à température est recommandée ; voir les instructions d’emploi)

En cas de fibres orientées, il est nécessaire de bien aligner la jauge de contrainte en raison du comportement orthotrope du matériau :

Veillez à aligner exactement la jauge de contrainte sur le matériau :

Jauge de contrainte de série Y fixée avant encollage :

Jauge de contrainte de type 1-LY41-6-350 installée par un professionnel sur un matériau PRFC avec la colle X60 :