Composites à matrice métallique : caractéristiques du système C/Al

Composites à matrice métallique : caractéristiques du système C/Al

LES CMM DANS LE CADRE DE L’ETUDE 

La technologie des CMM est d’une importance hautement stratégique dans pratiquement tous les pays développés. Des facteurs de croissance du marché égaux à 10 sont attendus dans les prochaines années. Actuellement, la consommation mondiale annuelle de CMM base aluminium est estimée à 5000 tonnes, la plupart de ces composites étant à renfort particulaire. Les CMM fibres longues sont, quant à eux, limités à des applications à haute performance, telles que celles développées dans les secteurs de l’aérospatiale ou de l’électronique, mais vont gagner du terrain avec le développement de fibres et de procédés moins chers.

Les Etats-Unis, le Japon et certainement la Chine sont en train de développer des CMM du type fils composites à fibres longues pour une nouvelle génération de câbles aériens promettant des performances supérieures. Ceci s’explique s’en doute par leur place de leader sur le marché de la production et de la distribution d’électricité : les Etats-Unis sont les premiers producteurs et consommateurs mondiaux d’électricité, suivis par le Japon en ce qui concerne la consommation [1]. Ces nouveaux conducteurs auront un effet significatif sur la transmission de l’électricité et contribueront fortement à la stabilisation de l’approvisionnement en énergie électrique à des coûts raisonnables, améliorant de ce fait la productivité et la compétitivité de l’industrie électrique. Une diminution des taux de croissance du coût de l’énergie aurait aussi un effet positif sur le pouvoir d’achat des particuliers, en conséquence de quoi la demande serait stabilisée. Le premier fabricant de câbles aériens à base de fils composites aura un avantage commercial certain sur la concurrence en matière de fils unitaires et de câbles. Il est d’une importance stratégique que celui-ci émane de l’industrie européenne des conducteurs. Ainsi, l’Europe pourrait affermir sa position vis-à-vis de l’Amérique et de l’Asie et gagner des parts de marché perdues auparavant.

Les CMM et les CMA 

Généralités
La recherche en matériaux composites commence dès 1965, motivée par une demande croissante de matériaux plus rigides, plus résistants et plus légers dans les domaines de l’aérospatiale, l’énergie et la construction civile. De nos jours les CMM occupent encore une faible part dans l’industrie (marché de 5000 t/an), en partie à cause des procédés de fabrication difficiles à maîtriser et du coût élevé de certains renforts. L’élaboration à l’échelle industrielle à des coûts plus acceptables reste le défi des années à venir [2, 3].

Il existe une large gamme de composites à matrice métallique (CMM) définie par la nature de la matrice et celle du renfort, la géométrie du renfort et sa fraction volumique. Les matériaux couramment employés pour la matrice sont : les alliages d’aluminium, de titane ou de magnésium, le cuivre et les intermétalliques. Parmi ceux-ci, l’aluminium occupe une place de choix de par ses propriétés : faible densité, bonne résistance à la corrosion et point de fusion relativement bas. Mais, par contre, l’aluminium possède un faible module de Young, des propriétés mécaniques modestes et un large cœfficient de dilatation que les renforts sont amenés à compenser. Ces renforts peuvent être en carbone ou en céramique, ou encore métalliques. Mais ceux qui sont typiquement utilisés sont en céramique, de sorte qu’ils apportent à la fois une bonne rigidité, une forte résistance mécanique et une densité relativement basse. Les renforts sont répartis selon différentes géométries : les fibres longues, les fibres courtes ou whiskers, les particules et très récemment les préformes 3D isotropes (mousses). Les CMM renforcés par des fibres longues  ont de très bonnes propriétés dans le sens des fibres mais sont encore très chers de par le prix des fibres et de la complexité du procédé d’élaboration. Ceux qui sont renforcés par des fibres courtes ont des propriétés isotropes dans le plan mais une résistance plus faible que les composites renforcés par des fibres longues dans le sens des fibres. Par contre, ils sont moins chers. Quant aux composites à renforts particulaires, ils offrent des propriétés encore moindres mais sont entièrement isotropes et sont disponibles à bas prix. L’idée fondamentale des CMM est de combiner l’excellente ductilité et aptitude à la mise en forme de la matrice à la rigidité et capacité à supporter les charges du renfort, ou encore la conductivité thermique de la matrice au faible cœfficient de dilatation thermique du renfort.

Les propriétés intéressantes des CMM sont : une bonne rigidité, des bonnes résistances à la traction, à la fatigue et à l’usure, ainsi qu’un faible cœfficient de dilatation thermique (CTE). L’addition d’un renfort métallique ou céramique rigide au métal de la matrice induit une augmentation du module élastique, ou module de Young. Dans la mesure où le renfort céramique et la matrice ont environ la même densité, il s’ensuit une propriété forte intéressante pour les CMM, i.e. une bonne rigidité spécifique (module rapporté à la densité). Ainsi, un gain en masse peut être obtenu dans les structures. De plus, les renforts céramiques ont une bonne résistance à la traction, propriété qui peut être mise en exergue selon la morphologie du renfort, la direction de l’application de la charge et la qualité de l’interface renfort/matrice. Par exemple, une bonne résistance spécifique est atteinte dans le sens des fibres pour les composites à fibres longues. Il est à noter que le gain en résistance est directement lié à la fraction volumique de fibres. L’amélioration de la résistance à la fatigue, et donc à l’amorçage et à la propagation des fissures, est différente selon la morphologie du renfort employé et la qualité de l’interface renfort/matrice. Il en est de même pour la résistance à l’usure ; c’est pourquoi actuellement seuls les composites particulaires trouvent des applications dans ce domaine. Le faible CTE est obtenu par l’association d’un renfort à très faible CTE (proche de zéro voire négatif) à un métal à fort CTE.

Les CMM trouvent des applications dans les domaines de l’aéronautique, l’aérospatiale, l’automobile, dans certains produits commerciaux ou industriels, dans les boîtiers pour l’électronique. L’aérospatiale est bien évidemment le domaine qui a permis le développement des CMM, et ce par la quête d’une réduction en masse et de performances améliorées. Ainsi, les composites à base aluminium renforcés par des particules de SiC sont utilisés dans les structures d’avion ou pièces de retord d’hélicoptère, qui demandent une haute rigidité, ou encore dans les turbines à gaz, qui nécessitent des matériaux légers à haute performance. Pour les structures spatiales, un composite base aluminium à fibres longues de carbone a été choisi pour sa légèreté, sa rigidité et sa résistance, mais aussi pour son faible CTE et sa conductivité thermique. Dans l’automobile, où les propriétés requises sont la rigidité, la résistance à l’usure et à la fatigue, les composites base aluminium sont largement utilisés : dans les pistons (renforts à fibres courtes de carbone ou d’alumine, ou à particules de SiC), pour les systèmes de freinage ou les arbres moteurs. Par produits commerciaux ou industriels, on entend les équipements de loisirs (golf, cyclisme) ou les substrats pour les disques durs en micro-informatique [4].

Les CMM renforcés par des fibres longues [5]

Les principaux avantages des CMM à fibres longues sont une rigidité spécifique et une résistance élevées, ainsi que des propriétés optimisées. Les principaux inconvénients sont le coût élevé des fibres longues, la difficulté d’élaborer le matériau composite, leurs propriétés anisotropes et leur mauvaise aptitude à la mise en forme.

Sélection des matériaux 

Le choix de la matrice est gouverné par les propriétés mécaniques pondérées par la densité, et par les caractéristiques à température élevée. A cela, il faut ajouter la compatibilité chimique de la matrice avec le renfort. Par ailleurs, quand il s’agit de réaliser une bonne conductivité (thermique ou électrique), on préfère le cuivre et l’aluminium à leurs alliages. La sélection des fibres se fait selon plusieurs critères : la résistance et la rigidité spécifiques, le coût, la compatibilité chimique avec la matrice et, pour certaines applications particulières, des propriétés telles que la conductivité électrique et thermique ou le cœfficient de dilatation thermique. Les fibres sont commercialisées sous forme de monofilaments (80 à 150 µm de diamètre) ou de mèches bobinées (contenant des centaines voire des milliers de fibres, de 5 à 15 µm de diamètre). L’avantage des monofilaments est la réduction de la proportion de réactions avec la matrice en raison d’une plus faible surface spécifique et permettent d’avoir un espace inter-fibres plus grand, facilitant le remplissage des cavités. Les mèches de fibres sont pour leur part moins chères et peuvent être commercialisées sous forme de tissus 2D et ainsi être utilisées pour l’élaboration de fines structures. Les principaux types de renfort sont les fibres de carbone et les fibres d’oxydes. Les fibres de carbone sont très légères (de l’ordre de 1,8 g/cm3 ) et sont un des renforts les plus utilisés dans les composites. Il faut savoir que si elles sont stables sous vide jusqu’à des températures supérieures à 1000°C, elles commencent à s’oxyder dès 500°C sous air. Les fibres d’oxydes sont alors préférées comme renfort car elles sont stables dans l’air à haute température (> 1000°C), stables dans les métaux liquides, et ont un module de Young élevé (équivalent à celui des fibres de carbone). Par contre, elles ont une densité élevée (3,9 g/cm3 maximum) et une résistance à la traction peu élevée. Elles présentent un avantage pour l’infiltration par les métaux liquides car il y a un très bon contact direct entre les deux composants et donc un bon lien interfacial.

Les CMM à fibres longues sont des matériaux coûteux, et ce à cause des méthodes d’élaboration et du prix des constituants. Le prix des fibres est d’autant plus élevé que le volume du marché est faible. Les mèches de fibres sont moins chères que les monofilaments et sont disponibles commercialement en plus grande quantité, ce qui est un avantage pour le développement des CMM dans des applications commercialisées.

L’interface fibre/matrice est cruciale pour les propriétés mécaniques du composite, puisqu’elle permet le transfert de charge. La stabilité thermochimique de cette interface est également importante, puisque des réactions nuisibles peuvent avoir lieu entre les fibres et la matrice pendant l’élaboration et l’utilisation des composites.

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Table des matières

INTRODUCTION
Chapitre I : Composites à matrice métallique : caractéristiques du système C/Al
1. LES CMM DANS LE CADRE DE L’ÉTUDE
1.1. Les CMM et les CMA
1.1.1. Généralités
1.1.2. Les CMM renforcés par des fibres longues
1.2. Contexte de l’étude
1.2.1. Etat de l’art – Objectifs
1.2.2. Résultats importants issus du projet
1.2.3. Exploitation des fils composites produits
1.3. Les matériaux concurrents
1.3.1. Le conducteur développé par 3M
1.3.2. Les fils composites produits à Northeastern University, Boston
1.3.3. Le conducteur composite développé au Japon
2. PROBLÈMES LIÉS AU SYSTÈME CARBONE/ALUMINIUM
2.1. Mouillage et infiltration
2.1.1. Mouillage
2.1.2. Phénomènes interfaciaux intervenant au cours du mouillage et de l’infiltration
2.1.3. Infiltration de préformes fibreuses
2.1.4. Amélioration du mouillage
2.2. Formation de carbures – Réactivité
2.2.1. Introduction à la structure des fibres de carbone
2.2.2. Réactivité des fibres vis-à-vis de l’aluminium liquide
3. ELABORATION : DU FIL COMPOSITE AU CÂBLE ÉLECTRIQUE
3.1. Elaboration des CMM : application aux fils composites
3.1.1. Pression élevée
3.1.2. Pression moyenne
3.1.3. Pression capillaire
3.2. Construction des câbles électriques
3.2.1. Le câblage : définitions
3.2.2. Procédé de fabrication
RÉSUMÉ
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
Chapitre II : Techniques expérimentales, matériaux et procédé
1. MOYENS DE CARACTÉRISATION
1.1. Observations – Analyses
1.1.1. Polissage
1.1.2. Microscopie électronique à balayage
1.1.3. Microscopie électronique en transmission
1.1.4. Diffraction de rayons X
1.1.5. Analyses thermiques – Spectrométrie de masse
1.2. Caractérisations mécaniques
1.2.1. Essais de traction sur monofilaments
1.2.2. Essais de traction sur fils composites
2. MATÉRIAUX DE L’ETUDE
2.1. Fibres de carbone ex-PAN
2.1.1. Eléments bibliographiques
2.1.2. Choix des fibres – Caractéristiques
2.2. Flux : K2ZrF6
2.2.1. Action du flux
2.2.2. Flux choisi – Caractéristiques
2.3. Matrice d’aluminium
2.3.1. Propriétés physiques
2.3.2. Propriétés mécaniques
3. PROCÉDÉ D’ÉLABORATION
3.1. Résultats préliminaires
3.1.1. Matériaux et procédé
3.1.2. Résultats
3.2. Procédé actuel.
3.2.1. Description
3.2.2. Paramètres ” procédé ” aux différentes étapes
RÉSUMÉ
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
Chapitre III : Désensimage
1. COMPRÉHENSION DES PHÉNOMÈNES
1.1. Identification des phénomènes à 10°C/min
1.1.1. L’analyse thermo-gravimétrique
1.1.2. Le couplage avec le spectromètre de masse
1.2. Influence de la vitesse de chauffe
2. CINÉTIQUE DE DÉGRADATION DE L’ENSIMAGE
2.1. Détermination de l’énergie d’activation
2.1.1. Méthodes anisothermes
2.1.2. Méthode isotherme
2.1.3. Discussion
2.2. Détermination de la fonction : f(α)
2.2.1. Méthode ” totalement ” anisotherme, Ea = 53,6 kJ/mol
2.2.2. Méthode anisotherme avec Ea = 100 kJ/mol
2.3. Approximation des anisothermes et isothermes
2.4. Influence des paramètres cinétiques
3. APPLICATION AU DÉSENSIMAGE DYNAMIQUE SUR PILOTE
3.1. Différents moyens de désensimage thermique
3.1.1. Les fours
3.1.2. Désensimage APNEP (par EATL, partenaire du projet)
3.1.3. Commentaires – Choix du four
3.2. Essais en vue de la construction du diagramme ” pratique ”
3.2.1. Quantification du désensimage
3.2.2. Influence des paramètres ” procédé ” sur la dégradation des fibres
3.2.3. Profils thermiques de la mèche dans les conditions de désensimage dynamique
3.3. Optimisation du désensimage
3.3.1. Diagramme ” statique ”
3.3.2. Diagramme ” dynamique ”
3.3.3. Domaine de validité du modèle cinétique
RÉSUMÉ
RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CONCLUSION

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