Nos exigences en matière de composites sont très élevées : les matériaux des fusées doivent supporter la chaleur au lancement, les éoliennes doivent résister aux fortes rafales de vent, et les chaussures de course sont censées conserver leurs propriétés dans le temps et sur de grandes distances. Comment les experts conçoivent-ils des composites adaptés à des utilisations si spécifiques et comment contrôlent-ils les propriétés de ces composites ?

Les composites sont composés d’au moins deux matériaux qui sont liés ensemble, mais qui restent distincts à l’échelle macrosopique ou microscopique dans la structure finie. Le composite obtenu offre des propriétés différentes de celles de chacun des matériaux qui le composent pris séparément. Les spécialistes des matériaux ont donc pour rôle d’optimiser les formulations des composites pour des applications spécifiques, mais uniquement en s’appuyant sur des essais qui visent à contrôler au préalable les propriétés des matériaux.

Les concepteurs de composites satisfont la forte demande actuelle en produits fiables et légers au moyen de technologies analytiques de pointe. Ils cherchent à obtenir les propriétés de performance critiques attendues des clients, notamment la résistance, la tenue à la chaleur, l’adhérence et la durabilité, en caractérisant dans un premier temps les matériaux et les prototypes produit.

Comment les scientifiques dans le domaine des composites des laboratoires du monde entier utilisent-ils l’analyse des matériaux pour améliorer leurs produits ? Voyons les principales techniques de science des matériaux et des exemples concrets de leur utilisation dans les essais réalisés sur les composites pour diverses applications et industries :

Les calorimètres différentiels à balayage (DSC) mesurent les températures et les flux de chaleur associés aux transitions thermiques d’un matériau. Le DSC quantifie les indicateurs clés comme la température de transition vitreuse des composites (Tg), le temps de gélification et le temps de durcissement.

Le Professeur Mohamed Rady a utilisé un DSC à l’Université de Bordeaux pour mener ses recherches sur les changements de phase des composites granulaires¹. Il a en particulier examiné la fusion et la solidification, en élaborant une procédure simple qui vise à obtenir du DSC des résultats précis.

Les chercheurs Rivière, Caussé, Lonjon, Dantras et Lacabanne du laboratoire CIRIMAT de l’Université Paul Sabatier ont utilisé la DSC modulée pour étudier l’effet de l’ajout de nanoparticules d’argent à une matrice polymère (polyétheréthercétone)². Les mesures précises de conductivité thermique et de chaleur spécifique leur ont permis de comprendre les mécanismes du transport thermique du matériau. Leurs données peuvent être utilisées pour optimiser le mélange de matériaux afin de créer des composites pour des applications spécifiques.

La gamme Discovery DSC de TA Instruments est équipée de la technologie DSC Tzero™ brevetée, qui permet d’effectuer des mesures de flux de chaleur avec plus de précision, car elle apporte des améliorations en matière de planéité de la ligne de base, de résolution des transitions et de sensibilité. Les essais DSC Modulated® (MDSC®) sont à la fois plus rapides et plus précis sur un DSC TA. Pour encore plus de productivité, le Multi-Sample X3 DSC mesure de manière unique le flux de chaleur pour un maximum de trois échantillons simultanément.

La rhéologie est l’étude de l’écoulement et de la déformation des matériaux. La déformation et l’écoulement sont caractérisés par la contrainte et le taux de contrainte, respectivement, et indiquent la distance sur laquelle un corps se déplace sous l’influence d’une force externe, ou contrainte.

Par exemple, le Professeur Ogah de l’Université de l’État d’Ebonyi a utilisé un rhéomètre pour mesurer les effets des matériaux de remplissage et des additifs sur le traitement des bois composites³. ll a associé des fibres naturelles à des polymères thermoplastiques comme matériaux de matrice, créant des composites à fibres naturelles. Il a ensuite analysé l’influence du type de fibres, de la teneur en fibres, et de la taille et de la forme des particules sur les propriétés rhéologiques des composites finaux, au moyen d’un rhéomètre hybride Discovery de TA Instruments.

Les rhéomètres sont destinés uniquement à mesurer la viscosité et la viscoélasticité. Le rhéomètre hybride Discovery de TA Instruments permet également à l’utilisateur d’identifier les différences de microstructure qui ne peuvent pas être étudiées au viscosimètre ou au rhéomètre capillaire. Ces mesures sont particulièrement utiles lors de l’étude de l’interaction entre les matériaux composites à l’échelle microscopique.

Les essais mécaniques aident les chercheurs à caractériser les propriétés mécaniques d’un matériau ou à déterminer la réponse d’une structure à une force spécifique. Les concepteurs de composites quantifient la rupture, la fatigue, le cisaillement ou le fluage des matériaux et utilisent ces données pour concevoir des produits mieux adaptés à leurs applications spécifiques.

Garces et Ayranci de l’Université d’Alberta ont mis au point une nouvelle approche pour fabriquer et activer un composite polymère à mémoire de forme (SMPC) par chauffage par effet Joule, selon un procédé de fabrication additive par extrusion⁴. Ils ont utilisé un appareil de détermination de la résistance à la traction ElectroForce de TA Instruments pour évaluer l’effet de la déformation sur le SMPC dans des conditions de traitement spécifiques. Leurs recherches permettent aux autres de fabriquer un SMPC avec leur technique, pour des applications telles que « les stents, les équipements sportifs et les véhicules aériens sans pilote (drones) ».

Qu’ils conçoivent des matériaux de construction robustes ou des substituts osseux biocompatibles, les principaux laboratoires du monde entier utilisent les instruments pour essais mécaniques ElectroForce pour contrôler les propriétés mécaniques des composites. Les cadres de charge ElectroForce couvrent un large éventail de forces appliquées, tandis que l’instrument d’essais de fatigue multiéchantillon accélère les essais en traitant jusqu’à 16 échantillons simultanément.

Ces exemples de recherche illustrent certaines possibilités, mais il existe une multitude d’instruments et de techniques d’analyse des propriétés de vos composites. Découvrez la technologie de pointe actuelle sur notre page Composites, et identifiez les instruments qui répondent à vos besoins en matière de conception et de traitement des composites.

Vous êtes indécis quant à la meilleure technique pour votre laboratoire ? Contactez TA Instruments ; nos experts en composites se feront un plaisir de vous guider dans votre choix.