COMPOSITES

Contrairement à l’utilisation des matériaux traditionnels que l’on va “sélectionner dans une bibliothèque de nuances” puis mettre en œuvre, la conception en composites 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 préimprégnés, polymérisés sous vide ou en autoclave, centrifugation, pultrusion, etc).

Il existe un très grand nombre de matériaux composites. Ils se repartissent 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.

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.

Ce sont aujourd’hui les composites à matrices organiques qui constituent, de loin, les volumes les plus importants à l’échelle industrielle. Les principales d’entre elles sont :

• Polyesters : 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.
• Acryliques : Modifiée, c’est une excellente base pour un composite aux 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 renfort 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 au regard de leur faible densité. 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).

500 ans plus tard, les mêmes Egyptiens intégraient la paille à la terre dans leur recherche de renfort des poteries, des briques et des coques de bateaux. Au fil des siècles, les artisans, les ingénieurs et les fabricants ont continué à développer des composites à partir d’un plus grand nombre de matériaux pour des applications de plus en plus sophistiquées et de plus en plus larges.

La guerre ne fit pas exception et trouva vite des applications à ces nouvelles techniques. Vers 1200 après J-C, Genghis Kahn domine le plus vaste empire que la terre n’ait jamais connu, grâce notamment à la supériorité de ses archers qui utilisaient des arcs plus petits, plus puissants et extrêmement précis. Les Mongols avaient réussi à mettre au point les premiers arcs composites à partir d’une combinaison de bois, d’os, de tendons de bovins, de cornes, de bambou et de soie liés par de la résine de pin naturelle.

La prochaine étape significative de l’évolution des matériaux composites se fera avec l’apparition de la chimie dite moderne, entre 1850 et 1920. La découverte de la polymérisation élargit le champ des possibles en permettant l’usage de nouvelles résines de synthèse fiabilisant les assemblages en passant de l’état liquide à l’état solide dans une structure moléculaire réticulée déterminée. C’est l’âge d’or des celluloïds, de la Mélamine et de la Bakélite. La Bakélite peut être considérée comme l’une des premières matières plastiques fabriquées à partir de composants synthétiques.

Ce sont les nécessités de la Seconde Guerre mondiale qui feront passer l’industrie des PRF de la recherche à la production. L’armée se saisit rapidement des composites en fibres de verre pour leurs propriétés de résistance et de faible masse, ainsi que pour leur transparence aux fréquences radio. Cela a conduit notamment à l’adoption des composites pour les dômes de radar et autres équipements électroniques.

A l’issu de la guerre, ces technologies donnent naissance à un « artisanat technologique » autour des différents procédés disponibles. Ces pionniers s’investissent dans la quête de performance des secteurs du transport ou de l’aéronautique et multiplient les innovations. L’ère de l’automobile fera éclore de nouvelles techniques de moulage et des procédés novateurs de fabrication. Ce secteur est encore aujourd’hui l’un des premiers utilisateurs des composites.

Les années 50 marquent le développement de la pultrusion, du moulage en sac sous vide et de l’enroulement de filaments à grande échelle. La pultrusion est utilisée dans la fabrication de composants linéaires telles que les échelles et les moulures. L’enroulement filamentaire est, quant à lui, un exemple de matériaux composites à destination aérospatiale. Il est devenu la base des moteurs de fusées à grande échelle qui ont propulsé l’Homme dans l’espace à partir des années 1960.

En 1960, la première fibre de carbone est brevetée puis commercialisée. Ce nouveau procédé améliore encore la rigidité des pièces thermodurcies par rapport à leur poids et repousse une nouvelle fois les limites. Parallèlement, le marché de la marine devient le plus grand consommateur des matériaux composites, avec l’essor commercial des coques de bateaux moulées. L’usage des matériaux composites a prouvé son intérêt. Il se développe partout, des appareils médicaux, aux équipements sportifs en passant par le mobilier design.

Depuis cette époque, les matériaux composites sont devenus des remplaçants rentables des matériaux traditionnels comme le métal et les thermoplastiques techniques. Même si les composites thermodurcissables restent, pour beaucoup, les matériaux de la performance, ils voient leur adoption par les marchés grand public et industriels augmenter chaque jour.

Aujourd’hui, la recherche sur les composites continue et attire les subventions des gouvernements, des fabricants et des universités. Ces investissements accélèrent l’innovation. Ils laissent entrevoir l’arrivée imminente des composites biosourcés, de résines écologiques incorporant des plastiques recyclés pour développer des produits encore plus légers et respectueux de l’environnement.