Caractérisation mécanique de la matrice de composites type BMC, Caracterización mecánica de la matriz de composites de tipo BMC

De
Publié par


Chez Schneider, le composite BMC est principalement utilisé pour faire des boîtiers électriques. Le matériau composite BMC est formé de plusieurs constituants. Les principaux éléments sont des particules d’ATH (Alumino Tri Hydraté : environ 40% en masse), des fibres de verre courtes (environ 20% en masse) et une résine polyester insaturée. Afin de bien comprendre le rôle joué par la résine, nous avons étudié le comportement de différentes résines avec différentes formulations de charges et nous avons essayé d’établir la relation entre formulation-microstructure-comportement mécanique. ____________________________________________________________________________________________________________
En Schneider, el composite BMC se utiliza principalmente para fabricar contadores eléctricos. El material composite BMC está formados por varios constituyentes. Los principales elementos son partículas de ATH (Alúmina Tri Hidratada: en torno al 40% en masa), fibras de vidrio cortas (en torno al 20% en masa) y una resina de poliéster insaturado. Con el fin de comprender bien el papel de la resina, se han estudiado diferentes resinas con diferentes formulación de cargas y se ha intentado establecer la relación entre formulación-microestructura-comportamiento mecánico.
Ingeniería Industrial
Publié le : mardi 1 février 2011
Lecture(s) : 125
Source : e-archivo.uc3m.es
Licence : En savoir +
Paternité, pas d'utilisation commerciale, pas de modification
Nombre de pages : 44
Voir plus Voir moins

Février 2011 Accès confidentiel classe : 0
Arts et Métiers ParisTech
Paris









Caractérisation mécanique de la
matrice de composites type BMC












RODRIGUEZ GUTIÉRREZ, Eugenio FITOUSSI Joseph
BOCQUET Michel
LE THI TUYET Nhung


ANNEE : 2011 N° de PE : PA-M11151
CENTRE DE RATTACHEMENT PE : ENSAM Paris
AUTEURS : Eugenio RODRIGUEZ GUTIERREZ
TITRE : Caractérisation mécanique de la matrice de composites type BMC
ENCADREMENT DU PJE : Joseph Fitoussi
ENTREPRISE PARTENAIRE : Schneider Electric – Grenoble - France
NOMBRES DE PAGES : 44
NOMBRE DE REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES : 5


RESUME : Chez Schneider, le composite BMC est principalement utilisé
pour faire des boîtiers électriques. Le matériau composite BMC est formé
de plusieurs constituants. Les principaux éléments sont des particules
d’ATH (Alumino Tri Hydraté : environ 40% en masse), des fibres de verre
courtes (environ 20% en masse) et une résine polyester insaturée. Afin
de bien comprendre le rôle joué par la résine, nous avons étudié le
comportement de différentes résines avec différentes formulations de
charges et nous avons essayé d’établir la relation entre formulation-
microstructure-comportement mécanique.


MOTS CLES : MATERIAUX COMPOSITES – MATERIAUX POLYMÈRES –
BMC – COMPORTEMENT MÉCANIQUE– NODULES THERMOPLASTIQUES –
ESSAIS DE TRACTION STATIQUE – SIMULATION NUMÉRIQUE


PARTIE A REMPLIR PAR LE PROFESSEUR RESPONSABLE DU PROJET
ACCESSIBILITE DE CE RAPPORT (entourer la mention choisie) :
Classe 0 = accès libre
Classe 1 = Confidentiel jusqu’au
Classe 2 = Hautement confidentiel
Date : 18 février 2011 Nom du signataire : M. BOCQUET Signature :
2
Caractérisation mécanique de la matrice de composites type BMC

Remerciements :

Avant toutes choses, je souhaiterais remercier toutes les personnes qui ont
contribuées de près ou de loin à la bonne marche de ce projet.

Je tiens à saluer particulièrement les personnes suivantes :

• M. Joseph FITOUSSI, pour m’offrir cette chance et pour sa confiance.
• M. Michel BOCQUET, pour ses conseils.
• Mlle. Nhung LE THI TUYET, pour son aide et sa patience.
• M. Patrick MUREAU, pour son soutien technique et sa bonne humeur.






















3
Caractérisation mécanique de la matrice de composites type BMC


Table des Matières :

1. Introduction...................................................................................................... 5
1.1. Le matériau : Généralités sur les matériaux de type BMC….............. 5

2. L’objectif du PJE……………………………………………………………………………………………. 8

3. Expérimental..................................................................................................... 9
3.1. Essais de traction statique.......................................................................... 9
3.1.1. Résine F10 : Essais et paramètres mécaniques caractéristiques….... 10
3.1.2. Résine F8 : Essais et paramètres mécaniques caractéristiques………. 14
3.1.3. Résine F9 : Essais et paramètres mécaniques caractéristiques………. 17
3.1.4. Comportement mécanique des résines………..………….…………….…….. 21
3.2. Observation sur MEB…………….................................................................. 22
3.2.1. Microscope Electronique à Balayage (MEB)…………………..……………... 22
3.2.2. Observation sur MEB des faciès de rupture après traction statique. 23
3.2.3. Microstructures des résines..……………………….……………………………….. 33
3.3. Liaison Micro-Macro…………………………………………………………………………….. 38

4. Simulations………………………………………………………………………………………………… 39
4.1 Recherche de la loi de Ramberg-Osgood……………………………………………….. 39
4.2. Identification des paramètres………………………………………………………………. 39
4.3. Simulations numériques…………………………….………………………………………… 41

5. Conclusions .................................................................................................... 43

6. Bibliographie .................................................................................................. 44






4
Caractérisation mécanique de la matrice de composites type BMC
1. Introduction

L’entreprise Schneider Electric mène des études sur les matériaux composites BMC (Bulk Molding
Compound) depuis plusieurs années. Le BMC est principalement utilisé pour faire des boîtiers
électriques.
Ce matériau a le principal atout de ne pas être conducteur. Cependant, lorsqu’il est soumis à un arc
électrique, il subit de très fortes contraintes thermo mécaniques (lois des gaz en thermodynamique),
il est donc indispensable d’en maîtriser le comportement mécanique même pour des utilisations a
priori électriques.
Les pièces réalisées en BMC sont injectées, la microstructure du matériau est très hétérogène (résine
polymère thermodurcissable, fibres de verre, carbonate de calcium, etc) et les propriétés
mécaniques par conséquent très dispersées.
L’objectif de l’étude est de comprendre le rôle joué par chacun des constituants, en particulier la
résine avec les charges, entrant dans la fabrication de ce matériau, ceci afin d’optimiser le choix du
matériau et de disposer à terme d’un outil prédictif permettant d’établir un lien entre les propriétés
d’utilisation du composite et les propriétés de chacun des constituants.

1.1 Le matériau : Généralités sur les matériaux de type BMC

Une chimie élaborée caractérise les composites à base de polyester insaturé UP. Les différents
constituants contenus dans les formulations sont décrits brièvement dans le Tableau 1 avec leurs
fonctions principales.
Le BMC est un système complexe qui comprend en réalité peu de matrice thermodurcissable, celle-ci
joue le rôle de liant et contribue au transfert des efforts dans le composite lorsqu’il est sollicité.
On trouve ainsi dans le BMC, différents adjuvants, qui sont incorporés à la résine polyester pour
apporter des caractéristiques particulières :
 Les charges : des charges d’alumine dans notre étude.

 Les renforts : ils ont pour but d’augmenter les caractéristiques mécaniques du matériau fini.

 Les agents anti-retraits : la compensation du retrait est obtenue par l’ajout de
thermoplastique dans la formulation.

 Les agents anti-UV.

 Les agents thixotropes : agents dont le rôle est de donner à la composition un caractère
thixotrope (c’est-à-dire que la viscosité diminue avec le taux de cisaillement).



5
Caractérisation mécanique de la matrice de composites type BMC

Composant Nature type Principales fonctions
Phase Prépolymère polyester Obtenu par une La "résine" polyester forme un
Organique insaturé condensation d'un réseau tridimensionnel qui
diacide insaturé sur un constitue le "liant" (après
dialcool copolymérisation radicalaire).
Monomère insaturé Styrène Co-monomère et solvant
Agent anti-retrait Polymères Il sert à compenser le fort retrait.
thermoplastiques Il évite l'apparition de grosse
(PVAs, PE, PMMA, fissures et retassures en générant
PS) des microvides.
Agent démoulant Acide stéarique, Il fond et migre vers les surfaces
stéarate de zinc, de métalliques, facilitant ainsi le
magnésium ou de démoulage.
calcium
Agent de mûrissement Oxyde de magnésium Il permet d'adapter la viscosité
(toujours pour les SMC) MgO avant la mise en œuvre
Amorceur Peroxydes En se décomposant à une
température spécifique,
température à partir de laquelle
les radicaux libres peuvent se
former, il amorce la
copolymérisation radicalaire.
Inhibiteur Composés organiques Agissant comme un piège à
comme l'hydroquinone, radicaux libres, il empêche la
le butylhydroquinone copolymérisation tant qu'il n'est
tertiaire, la pas consommé (autorise le
parabenzoquinone… stockage du produit semi-fini,
retarde le déclenchement de la
réaction après le remplissage du
moule).
Phase Charges particulaires Carbonate de calcium Il abaisse le prix de revient,
minérale permet d'adapter la rhéologie,
améliore l'état de surface, etc.
Tri Hydrate d'Alumine Il sert d'ignifugeant "vert" (sans
dégagement de fumées toxiques)
Renfort fibreux Fibres de verre Il apporte la résistance
coupées de type E mécanique

Tableau 1 : Composition type d’un compound de polyester insaturé [1].

6
Caractérisation mécanique de la matrice de composites type BMC

Les composants minéraux représentent 60 à 80 % en masse du matériau. L’ensemble des
constituants, hormis le renfort, constitue la « pâte ». Chaque formulation de compound
s’accompagne d’une valeur de retrait qui lui est propre. L’agent thermoplastique a pour fonction de
distribuer le retrait au sein du matériau. La connaissance des constituants n’est pas accessible à
l’utilisateur final industriel. La formulation est le plus souvent confidentielle à l’exception des taux de
charge et de fibre de verre. La longueur des fibres initialement incorporées dans le composite est
également connue.
La dimension moyenne des charges s’étend de quelques microns à 100 μm. Des mélanges de charges
peuvent être effectués pour obtenir des combinaisons de propriétés. Les charges jouent un rôle
déterminant dans le comportement rhéologique des composites : la viscosité augmente quand le
taux de charge croît. La granulométrie des charges influence également la viscosité.
Cependant, les particules les plus fines ont tendance à s’agglomérer et à causer des hétérogénéités
dans le matériau réticulé. La répartition granulométrique, la forme des grains, les propriétés physico-
chimiques comme la mouillabilité sont des facteurs modulables et influents. La surface des charges
peut être traitée (avec un agent de couplage type silane ou un agent dispersant), pour diminuer la
tendance à l’agglomération des particules, améliorer la mouillabilité et la dispersion dans la résine et
ainsi apporter une meilleure cohésion d’ensemble au composite final.
En ce qui concerne le renfort, à la sortie de la filière, l’opération d’ensimage consiste à déposer à la
surface des filaments de verre un mélange de composition complexe dont la fonction est d’assurer
une bonne cohésion entre les filaments, de faciliter leur imprégnation par la pâte et de favoriser une
liaison verre/matrice polymère correct. Le maintien de « l’intégrité » du fil au cours du procédé est
réglé par l’ensimage. Celui-ci comprend donc un réactif qui est plus ou moins cuit au cours de
l’élaboration du fil de verre. Le renfort est le constituant le plus coûteux. Les fibres de verre
présentent des dimensions initiales de 3 à 25 mm de longueur. Le mono-filament possède un
diamètre de 9 à 17 μm. Le renfort utilisé se présente sous la forme de mèches (fils plats d’un
millimètre environ) dont la section varie. Ces mèches sont constituées de quelques centaines de
mono-filaments [1].











7
Caractérisation mécanique de la matrice de composites type BMC

2. L’objectif du PJE

Le procédé de fabrication d’un matériau lui confère une microstructure, et cette microstructure
engendre des propriétés particulières du matériau final. C’est cette relation entre la microstructure
des résines BMC et leurs propriétés que l’on a essayé d’établir lors de ce PJE (Projet d'Expertise).
Des études antérieures ont permis de mettre en évidence le rôle important joué par les nodules de
thermoplastique dans les premiers stades de chargement, avec notamment la présence de
déformations résiduelles et d’un comportement non linéaire dès les bas niveaux de charge. C’est ce
rôle qui va être étudié dans ce PJE.
On part d’une hypothèse : la non-linéarité du comportement mécanique des résines BMC provient
de la déformation des cavités laissées par la dissolution des nodules thermoplastiques qui
apparaissent dans leur microstructure lors du procédé de fabrication.
Pour démontrer cette hypothèse on a fait deux types de travaux : un travail expérimental et un
travail de simulations. Le but de ces travaux est d’obtenir une loi de comportement du matériau
(Figure 1).

?
Comportement
Procédé Microstructure
Macro






Approche multi-échelle


modélisation expérimental



LOI DE COMPORTEMENT


Figure 1.- Schéma: Procédé – Micro structure – Loi de comportement.

8
Caractérisation mécanique de la matrice de composites type BMC
3. Expérimental

Le travail expérimental a consisté en une série d'essais de traction statique et d'observations au
Microscope Electronique à Balayage (M.E.B.).

3.1 Essais de traction statique

Afin de caractériser le comportement mécanique des différentes résines BMC, on a réalisé des essais
de traction statique sur des éprouvettes présentant différentes formulations de résines. Leurs
compositions sont les suivantes [1]:

Fraction massique 8 9 10
Palapreg D 2273
32 32 32
DSM
SUP 2206 Ashland 8 8 8
60 40 ATH ON 313
60 20 ATH OL 107
Amorceur TBPB
0,34 0,34 0,34
AKZO Trigonox C
Démoulant
stéarate de calcium
2,4 2,4 2,4
Brentag Cecavon
Ca31
Inhibiteur ionol CP 0,045 0,045 0,045
Degussa
Inhibiteur
0,011 0,011 0,011 parabezoquinone
Innoquem PBQ
Silane GE Silicone
0,68 0,68 0,68
FR 522

Fraction volumique (%) ρ (g/cm3) F8 F9 F10
Palapreg D2273 DSM 1,2 45,0 45,0 45,0
SUP 2206 Ashland 1,0 12,7 12,7 12,7
ATH ON 313 2,4 0 42,2 28,1
ATH OL 107 2,4 42,2 0 14,0

Tableau 2.- Compositions des différentes résines étudiées.
9
Caractérisation mécanique de la matrice de composites type BMC
Toutes les résines contiennent 60 % en masse de charge d’alumine. Celles-ci peuvent être de deux
types suivant leur granulométrie : ATH ON 313 (plus grandes) et ATH OL 107 (plus petites).
Pour faire les essais, on a utilisé une machine d’essais Instron 5881 et une vitesse de déplacement de
0,003 mm/s.
Toutes les éprouvettes avaient la géométrie présentée la Figure 2 ci-dessous.

Figure 2.- Géométrie des éprouvettes.
3.1.1 Résine F10 : Essais et paramètres mécaniques caractéristiques

 Essais
On a réalisé des essais de traction statique sur trois éprouvettes de la formulation F10 (UN1, UN2 et
UN3). Les résultats représentés sont des courbes charge-déplacement et contrainte-déformation :
Figures 3 et 4, respectivement.
Charge-déplacement
450
400
350
300
250
UN1
200
UN2
150
UN3
100
50
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6
déplacement (mm)

Figure 3.- Courbes charge-déplacement des éprouvettes : résine F10.
10
Caractérisation mécanique de la matrice de composites type BMC
charge (N)

Soyez le premier à déposer un commentaire !

17/1000 caractères maximum.