Matériaux Composites

Matériaux Composites

Les matériaux composites sont un assemblage d’au moins deux matériaux non miscibles (mais ayant une forte capacité d’adhésion) ; le nouveau matériau ainsi constitué possède des propriétés que les éléments seuls ne possèdent pas.

Industriellement, nous parlerons de renforts, assurant la tenue mécanique, et d’une matrice (le plus communément thermodurcissable ou thermoplastique, appelée aussi résine) qui assure la cohésion de la structure et la retransmission des efforts vers le renfort.

Le fait d’associer intelligemment ces composants, en créant une nouvelle matière en fonction de l’usage souhaité, explique à lui seul l’utilisation croissante de ces solutions.

Contrairement à l’utilisation des matériaux traditionnels que l’on va « sélectionner dans une bibliothèque de nuances » puis mettre en œuvre, la conception en composite impose de se poser simultanément la question des fonctionnalités à assurer, de la composition à adopter (en termes de matrice et de son mode de renforcement) et de son mode de production (moulage basse ou haute pression, enroulement, stratification de tissus pré imprégnés polymérisés sous vide ou en autoclave, centrifugation, pultrusion, etc).

L’intérêt majeur ? L’excellent ratio performances/poids par rapport aux matériaux homogènes.

Un peu d’histoire :

Ce sont en réalité les premiers matériaux complètement créés par l’Homme.

Si le bois fut historiquement le premier matériau composite connu, on trouvera parmi les premiers composites fabriqués par l’Homme les arcs mongols (2000 ans av. J.-C). Leur âme en bois était contrecollée de tendon au dos et de corne sur sa face interne, puis le torchis utilisé pour la construction pour ses propriétés d’isolation et son coût.

Il existe aujourd’hui un très grand nombre de matériaux composites

Généralement classés en trois familles en fonction de la nature de la matrice :

  • Les composites à matrices céramiques réservés aux applications de très haute technicité et travaillant à haute température,
  • Les composites à matrices métalliques,
  • Les composites à matrices organiques qui constituent, de loin, les volumes les plus importants aujourd’hui à l’échelle industrielle.

Ces matrices ont la charge principale de transmettre les efforts mécaniques aux renforts. Elles assurent aussi la protection des fibres renforts vis à vis de leur environnement. Et enfin, non moins important, elles confèrent au produit la forme, la géométrie souhaitée.

« Organiques », ces matrices ont pour dénomination :

  • Polyester : Les plus massivement employées, généralement avec les fibres de verre. Peu onéreuses, on les retrouve dans de nombreuses applications.
  • Epoxydes : Elles présentent d’excellentes caractéristiques mécaniques et se mêlent intimement (adhésion excellente) avec les fibres renforts. Généralement utilisées avec les renforts en verre pour leurs propriétés diélectriques, ou avec les fibres de carbone pour la réalisation de pièces de hautes performances mécaniques, ce sont aussi d’excellents adhésifs.
  • Vinylester : Proche chimiquement comme en termes de performances avec les époxydes, elles sont surtout utilisées pour des applications où les résines polyester ne sont pas suffisantes en termes de résistance à la corrosion / résistance chimique.
  • Phénoliques : La « vieille Bakélite » reste sans égale pour sa résistance au feu. Elle présente par contre quelques inconvénients autres.
  • Acrylique : Modifiée (adjuvée), c’est une excellente base pour un composite « polyvalent » avec de très avantageuses performances feu / fumées.
  • Polyimides et bismaléimides, employées uniquement pour des applications à haute température.

Les résines thermoplastiques telles le polypropylène, le polyamide, le polyuréthane seront aussi avantageusement renforcées de fibres (de verre souvent), mais avec des technologies bien différentes de celles mettant en œuvre les résines thermodurcissables et évoquées précédemment.

Si la description du composite reste complexe du point de vue mécanique, on comprendra intuitivement le rôle joué par les fibres de renforts et l’importance de leur orientation vis-à- vis des efforts appliqués à la pièce.

Les renforts les plus couramment utilisés pour ces matrices organiques sont les suivants :

  • Les fibres de verre : Leur ratio coût / performances en font le renfort de très loin le plus utilisé jusqu’ici.
  • Les fibres de carbone dont le prix reste encore relativement élevé, sont aujourd’hui réservées à des applications de hautes performances mécaniques (aéronautique, sports de compétition).
  • Les fibres d’aramide (« Kevlar ») : excellentes en termes de résistance aux chocs et ratio poids/résistance en traction. Elles sont principalement utilisées pour la protection balistique, et les pièces de structures.

   

On notera aussi l’intérêt croissant porté aux fibres végétales, comme le chanvre ou le lin. Ces fibres possèdent d’intéressantes propriétés mécaniques pour un prix modeste. Elles sont particulièrement observées pour leur présumé faible impact environnemental. Il en va de même pour les matrices, avec l’apparition sur le marché des premières résines « bio sourcées » (tel le PLA, acide polylactique).

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