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En anglaisRÉSUMÉ
Les polymères renforcés de fibres discontinues ont de meilleures propriétés mécaniques que les résines de base. Mais il est beaucoup plus difficiles d'orienter les fibres dans ces matériaux. Cet article explique les mécanismes d'orientation, l'observation de cette orientation et les modèles. Enfin deux cas de modélisation de l'orientation et de l'écoulement du fluide sont présentés en injection et en extrusion.
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Michel VINCENT : Ingénieur civil des Mines - Directeur de recherches au CNRS - Responsable de recherches au Centre de mise en forme des matériaux de l’École des mines de Paris
INTRODUCTION
Les polymères renforcés de fibres discontinues ont des propriétés mécaniques sensiblement améliorées par rapport à la résine de base, puisque le module d’élasticité est multiplié par un facteur 3 à 5 par rapport au même polymère sans fibres. De plus, ils peuvent être mis en forme avec des moyens conventionnels comme l’injection ou l’extrusion.
Cependant, à la différence des composites structuraux, on ne peut disposer les fibres de façon optimale. En effet, pendant la mise en forme, les fibres sont transportées par le fluide, et subissent des contraintes qui les orientent dans certaines directions. Ceci induit le niveau et l’anisotropie de propriétés mécaniques, mais aussi le voilage des pièces ou le niveau de contraintes résiduelles par le biais d’un retrait anisotrope lui aussi.
On s’intéresse dans cet article aux mécanismes d’orientation, et non à leurs conséquences sur les propriétés.
Les matériaux concernés sont principalement les thermoplastiques renforcés de fibres courtes (longueur moyenne de 200 à 500 µm, diamètre de 10 à 15 µm), mais les mécanismes principaux s’appliquent aussi aux thermoplastiques renforcés de fibres longues (granulés à fibres longues, GFL), ou aux thermodurcissables renforcés de type BMC (Bulk Molding Compound), dont les fibres ont une longueur de un à deux centimètres.
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2. Observation de l’orientation des fibres
2.1 Techniques d’observation
La technique la plus répandue est d’observer des coupes polies en microscopie optique en réflexion, ou en microscopie électronique à balayage. Les fibres apparaissent sous la forme de bâtonnets lorsqu’elles appartiennent au plan de coupe, ou sous la forme d’ellipses lorsqu’elles forment un angle par rapport à ce plan (figure 2a et b ). À noter que, dans le cas des granulés à fibres longues, les fibres peuvent être courbées (figure 2c ). La notion d’orientation est alors délicate à définir. La microscopie électronique à balayage permet aussi d’observer des faciès de rupture qui donnent une idée grossière de la disposition des fibres (figure 2d ). La photo 2b est prise dans l’épaisseur d’une pièce de 1,7 mm, et dans un plan perpendiculaire à la direction de l’écoulement. Les fibres apparaissent principalement sous forme de points ou d’ellipses peu allongées (elles sont donc plus ou moins orientées perpendiculairement au plan de coupe) sauf à cœur, où elles sont plus allongées, et donc plus parallèles au plan de coupe. Nous allons voir dans la suite que cette structure cœur-peau est souvent rencontrée.
La microradiographie de contact en rayons X en transmission d’échantillons minces donne des images très parlantes, mais qui permettent difficilement d’obtenir une orientation 3D, car on visualise la projection des fibres dans la coupe .
La microscopie confocale laser à balayage permet de faire des coupes optiques à différentes profondeurs sous la surface de l’échantillon, en utilisant les propriétés de semi-transparence des polymères ...
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Observation de l’orientation des fibres
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - VINCENT (M.) - Étude de l’orientation des fibres de verre courtes lors de la mise en œuvre de thermoplastiques chargés. - Thèse de doctorat, École des mines de Paris (1984).
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(2) - DARLINGTON (M.W.), McGINLEY (P.L.) - Fibre orientation distribution in short fibre reinforced plastics. - J. Mat. Sci. 10, p. 906 (1975).
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(3) - EBERHARDT (C.), CLARKE (A.R.) - Fibre orientation measurements in short glass fibre composites. I : Automated, high angular resolution measurement by confocal microscopy. - Comp. Sci Tech. 61, p. 1389-1400 (2001).
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(4) - EBERHARDT (C.), CLARKE (A.R.), VINCENT (M.), GIROUD (T.), FLOURET (S.) - Fibre orientation measurements in short glass fibre composites. II : A quantitative error estimate of the 2D Image Analysis Technique. - Comp. Sci Tech. 61, p. 1961-1974 (2001).
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(5) - BAY (R.S.), TUCKER (C.L.) - Stereological measurements and error estimates for three-dimensional fiber orientation. - Polym. Eng. Sci. 32, p. 240-253 (1992).
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