Microstructure du AC-SMC

Le procédé de mise en forme présenté dans le chapitre précédent s’effectue en deux étapes. La fabrication des draps de pré-imprégnés partir de la matrice non réticulée et du renfort confère une première forme à la microstructure du matériau. L’objectif des industriels produisant ces matériaux est d’obtenir une microstructure la plus homogène et présentant une distribution du renfort aléatoire dans le plan. La mise en forme par thermocompression provoque un écoulement de matière dans la cavité du moule, lequel fait évoluer la microstructure du matériau notamment en modifiant l’orientation initiale du renfort. En fonction de la forme et de l’intensité du flux de matière dans le plan de thermocompression le renfort peut être réorienté dans une direction privilégié. Cette interaction matériau-procédé a deux facettes. Maîtrisée, la prise en compte de cette réorientation induite par le flux permettrait d’adapter dans une certaine mesure les propriétés mécaniques locales du matériau. Dans le cas contraire, cette réorientation du renfort rend les propriétés mécaniques du matériau plus contrasté. Un écart entre les propriétés mécaniques dans la direction d’écoulement et dans la direction transverse est induit, et leur valeur est plus dispersive. Par conséquent, la compréhension du comportement macroscopique du matériau passe par l’analyse de la microstructure du AC-SMC. Comme présenté au chapitre I, les précédentes évolutions des SMC ont été effectuées avec une constante : la nature du renfort principal. Toutes les précédentes générations de SMC sont renforcées de mèches de fibres de verres constituées de 200 à 300 filaments. Remplacer les mèches de fibres de verre par des mèches de fibre de carbone ne modifie pas uniquement les propriétés mécaniques du renfort. Ces fibres de carbones ont un diamètre moitié plus petit, pour des raisons économiques les mèches sont découpées dans des bobines de 12000 filaments, la masse de ces mèches est différente, etc. L’évolution de toutes ces propriétés modifient la forme des interactions matériau-procédé. Quels sont les effets du changement de renfort sur la maîtrise du procédé de fabrication ? Tout d’abord la microstructure générale des SMC est présentée à travers une revue bibliographique. A partir de cette revue, les différents paramètres nécessaires à l’investigation sont définis. A partir de cette base de connaissance une campagne expérimentale est mise en œuvre pour analyser la microstructure du AC-SMC (RO) dont le protocole expérimental et les résultats sont présentées dans les troisième et quatrième parties. En conclusion, les principales observations sont rassemblées dans la cinquième partie

Microstructure des composites SMC

Les SMC, dont le procédé de fabrication a été succinctement présenté dans le chapitre précédent, sont obtenus à partir de la thermocompression de draps, constitués de mèches, de fibres plongées dans une matrice thermodurcissable. Ce procédé de fabrication de matériaux composites confère aux SMC une microstructure singulière. La revue bibliographique effectuée présente les particularités de cette microstructure et explique en partie l’influence de la thermocompression sur cette microstructure. Enfin, différentes méthodes d’investigations de la microstructure sont présentées et discutées.

Analyse de la microstructure des SMC

La microstructure de ces composites est composé d’un empilement de mèche, constitué de fibres, plongées dans la matrice. Les travaux de Le et. al. [1] sur l’analyse de la microstructure des SMC par micro tomographie par rayons X permet de la mettre en évidence en 3D et dans deux plans de coupe (Figure 2-1). Les fractions volumiques des mèches dans le SMC et des fibres dans les mèches ne permettent pas de définir efficacement la microstructure. A l’issue de ces travaux, les auteurs proposent 5 paramètres pour décrire la microstructure des SMC. Ceux-ci sont définis et évalués afin de caractériser la forme des mèches, leur orientation, leur courbure, leur épaisseur, ainsi que l’aire de leur section. L’épaisseur et la largeur des mèches sont calculées directement à partir de micrographies (Figure 2-1 (b) et (c)).Comme la Figure 2-2 le montre, ces mèches sont orientées suivant différentes directions par rapport au repère global associé au matériau. L’orientation de chacune de ces mèches, généralement prise en compte par le calcul des angles d’Euler associés, permet de définir les fonctions de densité d’orientation de mèches pour chacun des angles considérés ou bien conduire à l’estimation des tenseurs d’orientations comme proposé par Advani et.al. [11]. 

Méthodes d’investigation de la microstructure

La méthode la plus généralement utilisée est basée sur l’analyse de micrographie obtenue au microscope optique. Celle-ci permet d’obtenir l’orientation dans le plan et hors plan des mèches ainsi que la longueur des demi-axes définissant leur section. En revanche, le calcul de la courbure du renfort n’est pas accessible avec seulement ces micrographies. Si l’acquisition des micrographies peut être automatisée, la préparation de l’échantillon requiert un important travail et est chronophage. De plus, seulement des petites zones sont analysées. Obtenir une description représentative du matériau implique alors la préparation de nombreux échantillons. Cet aspect est particulièrement problématique dans le cas de composite à renfort aléatoire comme les SMC du fait de l’absence de périodicité de la microstructure. Afin d’accélérer l’analyse de la microstructure, notamment celle de l’orientation du renfort Kacir et. al. [2] ont développé une méthode basée sur l’analyse par corrélation d’images d’un composite dont une partie du renfort avait été teinte. Cette solution est adaptée aux composites dont le renfort est transparent. Pour les milieux opaques, comme les composites renforcés de fibres de carbone, la méthode de Kacir et. al. [2] n’est pas appropriée. Trambauer et. al. [3] proposèrent alors une méthode basée sur l’incinération des échantillons pour en enlever la matrice. Celle-ci consumée, les mèches sont révélées et peuvent alors être analysées par observation au microscope. Cette approche macroscopique, adaptée à l’analyse de l’orientation des mèches, présente comme désavantage un temps d’incinération important ainsi qu’une précision limitée. Plus récemment, l’amélioration de la micro tomographie par rayons X a rendu possible son application à l’analyse de la microstructure des matériaux composites à renfort aléatoire comme les SMC [1] et [4]. Cette méthode présente comme principal avantage le fait qu’elle soit entièrement automatisable et comme principal inconvénient le fait que le renfort doit être opaque aux rayons X. Si c’est le cas de la fibre de verre, la fibre de carbone est en revanche réputée transparente à ces rayons rendant cette méthode inapplicable aux composites renforcés de fibre de carbone.