Introduction
Résines phénoliquessont des matériaux thermodurcissables formés à partir de réactions de condensation entre des composés phénoliques et des aldéhydes, le plus souvent du phénol et du formaldéhyde. Ces matériaux sont utilisés dans des systèmes composites où le comportement thermique, la performance au feu, la stabilité dimensionnelle ou la résistance chimique peuvent être importants.
Les systèmes de résine phénolique durcie peuvent présenter un comportement de rupture relativement fragile, bien que cela dépende de la chimie de la résine, de sa formulation et des conditions de durcissement. La structure de réseau hautement réticulée qui assure la résistance thermique et chimique limite également la mobilité moléculaire, ce qui peut influencer le comportement à la rupture.
Résistance de la matrice vs résistance à la rupture du composite
Les performances liées à la ténacité doivent être interprétées en fonction du niveau de matériau et de la méthode d'essai considérée. Plusieurs concepts distincts sont pertinents :
La ténacité de la matrice concerne le comportement de déformation et d'absorption d'énergie de la matrice durcie avant rupture.
Les paramètres de ténacité à la rupture sont des propriétés mécaniques de rupture spécifiques mesurées dans des conditions d'essai et d'éprouvette définies.
Les tests d'impact caractérisent la réponse du matériau ou de l'échantillon sous une charge rapide.
La résistance à la rupture et la tolérance aux dommages des composites concernent le comportement du système composite complet.
Ces mesures décrivent différents aspects du comportement des matériaux, de sorte que l'amélioration d'une propriété ne correspond pas nécessairement à l'amélioration d'une autre.
Les stratégies de caoutchouc, de produits chimiques, de polymères multiphasés et de nanoparticules sélectionnées modifient principalement la matrice ou la phase contenant la matrice, tandis que l'architecture des fibres et le comportement interfacial influencent principalement la réponse à la rupture du composite complet.
Modification du caoutchouc
La modification du caoutchouc est une approche bien étudiée du durcissement sélectionnéesystèmes de résine phénolique. La modification des élastomères a été étudiée comme moyen de modifier le comportement à l'impact et à la rupture dans certaines formulations phénoliques.
Les effets observés dépendent de la chimie du caoutchouc, de la morphologie, de la dispersion, du comportement interfacial, des conditions de durcissement, de la charge et de la méthode d'essai. Les domaines de caoutchouc dispersés peuvent modifier les champs de contraintes locaux et le comportement de propagation des fissures. Les mécanismes impliqués dépendent de la morphologie et de la formulation spécifiques de la résine-caoutchouc.
La charge du caoutchouc peut influencer le comportement au traitement, la rigidité et le comportement thermique. Le niveau approprié doit donc être évalué pour la formulation spécifique.
Comportement du renforcement des fibres et de la rupture des composites
Le renforcement par fibres modifie principalement le comportement à la rupture et la tolérance aux dommages du composite complet plutôt que la ténacité intrinsèque de la matrice phénolique durcie. Diverses architectures de fibres sont utilisées, notamment des fibres courtes, des fibres continues, des renforts tissés et des renforts non tissés, en fonction des exigences de l'application.
Danscomposites phénoliques renforcés de fibres, plusieurs mécanismes peuvent contribuer à la résistance à la fracture :
Le pontage des fibres peut contribuer à la résistance à la rupture lorsque les fibres traversent une fissure en développement et résistent à son ouverture.
Lorsque les conditions de décollement interfacial et de glissement le permettent, l’arrachement des fibres peut contribuer à l’absorption d’énergie.
Les chemins de fissures peuvent également être redirigés par des fibres ou des interfaces.
Le comportement à la rupture d'un composite renforcé de fibres dépend de facteurs tels que l'architecture du renforcement, l'orientation, la fraction volumique, le comportement interfacial, le mode de chargement et le processus de fabrication. Les propriétés interfaciales influencent le transfert de charge et le comportement à la rupture. Des agents de couplage et des traitements de surface peuvent être utilisés pour modifier le comportement interfacial fibre-matrice.
Modification chimique et multiphase
Modification chimique
La modification chimique peut altérer la structure et la réponse mécanique du réseau phénolique durci. Les modifications destinées à modifier le comportement lié à la rupture peuvent également affecter la rigidité, le comportement thermique, les caractéristiques de durcissement ou l'aptitude au traitement.
Le cardanol et d’autres composants dérivés de coques de noix de cajou ont été étudiés comme modificateurs dans les systèmes phénoliques. Le comportement mécanique et thermique qui en résulte dépend de la composition et des conditions de durcissement.
Réseaux polymères interpénétrés
Un réseau polymère interpénétré (IPN) comprend deux ou plusieurs réseaux polymères qui sont au moins partiellement entrelacés à l'échelle moléculaire, ne sont pas liés de manière covalente les uns aux autres et ne peuvent pas être séparés sans rompre les liaisons chimiques. Un mélange de réseaux polymères préformés séparément n’est pas, en soi, un IPN.
Un réseau polymère semi-interpénétré contient un ou plusieurs réseaux polymères ainsi qu'un ou plusieurs polymères linéaires ou ramifiés qui pénètrent dans la structure du réseau à l'échelle moléculaire.
En fonction de la composition, de la morphologie et des conditions de traitement, les architectures IPN ou semi-IPN peuvent modifier l'équilibre du comportement mécanique, thermique et à la rupture dans les systèmes contenant des composés phénoliques.
Modification des nanoparticules
Les nanoparticules ont été étudiées comme modificateurs danssystèmes de résine phénolique. Leurs effets dépendent de la chimie des particules, de leur charge, de leur dispersion, des caractéristiques de surface et des interactions avec la matrice.
La qualité de la dispersion peut influencer le comportement des systèmes modifiés par des nanoparticules. Le traitement de surface et la stratégie de dispersion peuvent influencer la compatibilité et les performances.
Les nanoparticules peuvent modifier le comportement de propagation des fissures en fonction de la dispersion et des interactions interfaciales. La rigidité, la résistance et la ténacité sont des propriétés distinctes et peuvent réagir différemment aux modifications.
Évaluation des performances liées à la robustesse
Caractérisation des impacts et des fractures
Les tests Charpy ou Izod peuvent être utilisés pour comparer la réponse à l'impact dans des conditions d'essai et d'échantillon définies. Les essais d'impact et les essais de mécanique de la rupture fournissent différents types de données de caractérisation et ne sont pas interchangeables.
Les configurations de courbure à encoche à bord unique (SENB) peuvent être utilisées pour la caractérisation de la mécanique de la rupture dans le cadre d'une méthode d'essai de polymère applicable. La validité des paramètres de résistance à la rupture rapportés dépend de la géométrie de l'éprouvette, de la réponse du matériau et des conditions de test.
Pour les composites stratifiés appropriés, des méthodes à double poutre en porte-à-faux (DCB) peuvent être utilisées pour la caractérisation des fractures interlaminaires de mode I. Les méthodes de flexion à encoche d'extrémité (ENF) peuvent être utilisées pour la caractérisation des fractures interlaminaires de mode II des stratifiés appropriés. Pour les composites stratifiés pour lesquels la résistance au délaminage est une préoccupation de conception, la caractérisation de la rupture interlaminaire peut être particulièrement pertinente.
Prise en charge de la caractérisation mécanique et viscoélastique
Les essais de traction et de flexion peuvent être utilisés pour évaluer les changements de résistance et de rigidité associés à une modification. Ces mesures complètent la caractérisation liée à la ténacité en identifiant les compromis en matière de propriétés mécaniques.
L'analyse mécanique dynamique (DMA) peut fournir des informations sur la réponse viscoélastique et le comportement lié à la transition vitreuse. Le DMA fournit une caractérisation thermomécanique plutôt que des données sur la ténacité.
Compromis de formulation
L'évaluation doit prendre en compte les effets sur la rigidité, la résistance, le comportement thermique, le comportement au durcissement, la viscosité, la transformabilité, la compatibilité de fabrication et le coût.
Plusieurs approches peuvent être combinées, mais leurs interactions doivent être évaluées expérimentalement pour le système matériel spécifique.
Conclusion
Performances liées au durcissement danscomposites de résine phénoliquepeut être modifié à la fois au niveau matriciel et composite. Les approches en caoutchouc, produits chimiques, polymères multiphasés et nanoparticules affectent principalement la phase contenant la matrice, tandis que l'architecture de renforcement et le comportement interfacial influencent principalement la réponse à la rupture du composite complet.
La stratégie appropriée dépend des propriétés cibles, du système de matériaux, de la voie de traitement et des exigences de l'application. Les caractérisations d'impact, de rupture, mécanique et viscoélastique doivent donc être sélectionnées en fonction de la question de performance évaluée.
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