Matériau composite
Un article de Wikipédia, l'encyclopédie libre.
Vous avez de Le matériau composite est 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. Il est constitué d'une ossature appelée renfort qui assure la tenue mécanique et d'une protection appelée matrice qui est généralement une matière plastique (résine thermoplastique ou thermodurcissable) et qui assure la cohésion de la structure et la retransmission des efforts vers le renfort. Il existe aujourd'hui un grand nombre de matériaux composites que l'on classe généralement en trois familles en fonction de la nature de la matrice :
- les composites à matrices organiques (CMO) qui constituent, de loin, les volumes les plus importants aujourd'hui à l'échelle industrielle,
- les composites à matrices céramiques (CMC) réservés aux applications de très haute technicité et travaillant à haute température comme le spatial, le nucléaire et le militaire, ainsi que le freinage (freins carbone)
- les composites à matrices métalliques (CMM).
Les composites trouvent leurs principales applications dans le transport aérien (civil et militaire), maritime et ferroviaire, le bâtiment, l'aérospatial ainsi que les sports et loisirs, notamment grâce à leur bonne tenue mécanique comparable aux matériaux homogènes comme l'acier et leur faible masse volumique.
Sommaire |
[modifier] Historique
Le bois fut le premier matériau composite naturel utilisé, ensuite le torchis a été utilisé en construction pour ses propriétés d'isolation et de coût. Parmi les premiers composites fabriqués par l'homme on trouve également les arcs Mongols (2000 ans avant J.C.). Leur âme en bois était contrecollée de tendon au dos et de corne sur sa face interne. Les sabres japonais traditionnels sont aussi un exemple de matériaux composites très ancien. Les forgerons nippons procédaient au pliage et au martèlement du métal jusqu’à obtenir une sorte de pâte feuilletée pouvant être composée de plus de 4000 couches. Le procédé de pliage était utilisé pour maîtriser précisément l'uniformité de l'acier ainsi que sa composition en carbone tout en conférant à la lame ses propriétés de résistance et de souplesse.
- 1823 : Charles Macintosh créé l'imperméable avec du caoutchouc sur des tissus comme le coton.
- 1892 : François Hennebique dépose le brevet du béton armé.
[modifier] Principaux composites
- Les fibres de verre sont utilisées notamment dans la fabrication de piscine.
- Les fibres de carbone utilisées dans l'aviation.
- Le contreplaqué utilisé en menuiserie, construction, ébénisterie.
- Les cloisons de placoplâtre, très utilisé dans le bâtiment hors intempéries.
- Le béton et le béton armé en génie civil.
- La fibre d'aramide (ou Kevlar qui est une dénomination commerciale) utilisée dans les protections balistiques gilets pare-balles
(Attention, les gilets pare-balles ne sont pas des composites ! Par contre, le kevlar qui les composent est bien utilisé en tant que fibre pour composites dans d'autres types d'utilisations.)
- Le GLARE composé principalement d'aluminium et de fibre de verre est utilisé en aéronautique
[modifier] Les renforts
Le renfort est le squelette supportant les efforts mécaniques. Il peut se présenter sous de nombreuses formes : fibres courtes (mat) ou fibres continues (tissus ou textures multidirectionnelles) en fonction de l'application envisagée. Les fibres possèdent généralement une bonne résistance à la traction mais une résistance à la compression faible.
Parmi les fibres les plus employées on peut citer :
- Les fibres de verre qui sont utilisées dans le bâtiment, le nautisme et diverses applications non structurantes. Le coût de production des ces fibres est peu élevée ce qui en fait l'une des fibres les plus utilisées à l'heure actuelle.
- Les fibres de carbone utilisées pour des applications structurantes. Elle sont obtenue par la pyrolyse d'un précurseur organique ou non sous atmosphère contrôlée. Le plus utilisé de ces précurseurs est le PolyAcryloNitrile (PAN). Le prix de ces fibres reste relativement élevé mais il n'a cessé de diminuer avec l'augmentation des volumes de production. On les retrouve dans de nombreuses applications dans l'aéronautique, le spatial ainsi que les sports et loisirs de compétitions (Formule 1, mâts de bateaux).
- Les fibres d'aramide (ou Kevlar qui est une dénomination commerciale) utilisées dans les protections balistiques comme les gilets pare-balles.
- Les fibres de carbure de silicium sont une bonne réponse à l'oxydation du carbone dès 500°C. Elles sont utilisées dans des applications très spécifiques travaillant à haute température et sous atmosphère oxydante (spatial et nucléaire). Leur coût de production est très élevé ce qui limite donc leur utilisation.
- Pour les composites d'entrée de gamme, un intérêt croissant est porté aux fibres végétales, comme le chanvre ou le lin. Ces fibres ont de bonnes propriétés mécaniques pour un prix modeste, et sont particulièrement écologiques puisque ce sont des produits naturels.
[modifier] Les matrices
La matrice a pour principal but de transmettre les efforts mécaniques au renfort. Elle assure aussi la protection du renfort vis à vis des diverses conditions environnementales.
Dans le cas des CMO (composites à matrices organiques) les principales matrices utilisées sont :
- Les résines polyester peu onéreuses qui sont généralement utilisées avec les fibres de verre et que l'on retrouve dans de nombreuses applications de la vie courante.
- Les résines vinylester sont surtout utilisée pour des applications où les résines polyester ne sont pas suffisantes. Elle est issue d'une modification d'une résine époxyde et est excellente pour des applications de résistance chimique.
- Les résines époxy qui possèdent de bonnes caractéristiques mécaniques. Elle sont généralement utilisées avec les fibres de carbone pour la réalisation de pièces de structure et d'aéronautique.
- Les résines phénoliques utilisées dans les applications nécessitant des propriétés de tenue aux feu et flammes imposées par les normes dans les transports civils.
- Les résines thermoplastiques comme le Polypropylène ou le Polyamide.
Dans le cas des CMC (composites à matrices céramiques), la matrice peut être constituée de carbone ou de carbure de silicium. Ces matrices sont déposées soit par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) par densification d'une préforme fibreuse, soit à partir de résines cokéifiables comme les résines phénoliques (dans le cas des matrices de carbone).
Dans le cas des CMM (composites à matrice métallique) le matériau composite est constitué :
- d’une matrice métallique (par ex. aluminium, magnésium, zinc,…)
- d’un renfort métallique ou céramique (par ex : fils d’acier, particules de SiC, carbone, alumine,…)
