Introduction aux matériaux composites à matrice organique

Ce chapitre a pour objectif d’introduire les principales notions abordées dans le cadre de ce manuscrit notamment sur les procédés Liquid Composite Molding (LCM). Dans cette étude, on s’attachera également à présenter également la bibliographie concernant les matrices thermoplasiques et en particulier les polyamides et polyphtalamides utilisés dans les travaux de cette thèse. Les matériaux composites sont des structures constituées principalement de deux phases: une « matrice » et un « renfort ». Le renfort assure la tenue mécanique du matériau tandis que la matrice assure la cohésion de la structure et le transfert des contraintes entre les renforts. L’objectif de ce paragraphe est de faire une présentation succincte des procédés de mise en forme et des matériaux organiques utilisés. Ceci, en se focalisant plus particulièrement sur les composites à matrices thermoplastiques et à renforts fibreux qui constituent le cœur de ce travail de thèse. La matrice a pour rôle de maintenir les fibres dans leur direction principale, de distribuer les efforts en tant que liant entre les fibres, et de fournir une résistance à la propagation des fissures. Les matériaux composites à matrice thermoplastique (TP) ou thermodurcissable (TD) renforcée par des fibres, généralement en verre, courtes ou longues, ont fait leur apparition dans l’automobile dans les années 1960-1970. Même s’ils sont aujourd’hui utilisés presque exclusivement pour remplir des fonctions bien précises, leur taux d’utilisation ne dépasse pas 10 à 15% en fonction des véhicules.

Les matrices thermodurcissables

De nos jours, la grande majorité des composites structuraux sont réalisés à partir de résines thermodurcissables (TD). Ces matrices polymères sont le produit d’une réaction chimique au cours de laquelle les monomères s’associent pour former un réseau tridimensionnel rigide. Cette réaction de polymérisation particulière est appelée réticulation. Le matériau final ainsi obtenu possède une structure tridimensionnelle et se présente sous forme d’un corps solide et infusible. La polymérisation étant irréversible, ces matériaux ne peuvent être mis en forme qu’une seule fois (non recyclable). Les avantages des matrices thermodurcissables qui justifient leur emploi dans les pièces de structure, sous la forme de matériaux composites, se caractérisent pour l’essentiel par : Les limites des matrices TD sont les conditions de stockage des précurseurs et/ou des monomères (hygrothermie contrôlée) avant la réticulation totale, leur temps de polymérisation important (qui limite les cadences de production) et leur coût supérieur à celui des matrices thermoplastiques (TP).

Les monomères de base et réactifs pour l’obtention des matrices TD utilisés sont chauffés pour diminuer leur viscosité et ainsi améliorer l’imprégnation, mais en contrepartie l’augmentation de la température contribue à l’augmentation de la cinétique réactionnelle qui peut perturber l’imprégnation. Depuis plus de trois décennies, plusieurs travaux ont été dédiés à l’étude de ces formulations en vue de la maitrise de leur mise en forme. Avec une certaine maturité, les industriels sont capables aujourd’hui de proposer des diagrammes TTT (temps, température, transformation) pour une bonne maitrise des performances finales des pièces composites obtenues. Enfin, les composites à matrice TD ont trouvé des marchés où prédominent les hautes performances telles que l’industrie aéronautique, la production de voitures de haute gamme et quelques équipements sportifs. Même si les qualités des matrices thermodurcissables sont remarquables en termes de propriétés finales et de simplicité de mise en œuvre, elles présentent néanmoins certains inconvénients majeurs tels que la complexité de certaines chimies, l’hygiène et la sécurité au vu de l’utilisation de certains solvants ou réactifs volatiles dangereux et enfin leur non recyclabilité. En outre, la mise en œuvre de certaines résines thermodurcissables nécessite une étape de post-cuisson qui peut durer plusieurs dizaines de minutes rallongeant leur temps de cycle [20]. Cette étape constitue donc un frein majeur à l’utilisation des composites pour la production à grande cadence de pièces automobiles[21].