Qu’est-ce que c’est un matériau composite

Par définition, il est un matériau composé par l’union d’au moins deux constituants (les phases), généralement distingués … matrice; … fibres; … additifs ou charges. „ Les caractéristiques mécaniques essentielles des composites sont l’hétérogénéité et, mais pas toujours, l’anisotropie. „ Même si considérés comme des matériaux modernes, les composites sont en réalités utilisés depuis très longtemps et ils ont été le résultat des idées nées pour la nécessité de résoudre des problèmes divers; des exemples typiques sont les briques en argile et torchis, les arcs palintonos et les balistes en bois et tendons d’animaux, les katanes japonaises, mais aussi les alliages comme le bronze. „ A la page suivante, des exemples, classiques et non, de matériaux composites. Alliages Composites à matrice métallique Composites à matrice minérale Composites à matrice organique Classe Applications Exemple Composantes C, Fe, Mn, Cr, Al, Cu, Sn diverses etc. aciers Alliages d’Al cuivres Al/fibres de B aérospatial Al/fibres de C génie civil aérospatial, aviation, sport, biomécanique composantes thermomécaniques ciment, sable, additifs C, fibres de C céramiques et fibres céramiques béton composites C-C composites céramiques emballages etc. transports structures légères diverses cellulose caoutchouc, acier résines organiques, fibres de verre, carbone, bore etc. résines, fibres courtes carton pneus stratifiés plastiques renforcées Le concept clé des composites est l’union de deux ou plus matériaux, qui seuls n’ont pas des bonnes qualités mais qui, une fois unis, ont d’excellentes propriétés: l’union fait la force. „ En outre, les fibres de renfort ont des propriétés mécaniques nettement meilleures, en termes de rigidité et de résistance, du même matériau en forme massive, parce que la diminution des dimensions caractéristiques implique une amélioration des prestations mécaniques due, d’un côté au fait que la fibre a, par le procédé de fabrication, une structure plus parfaite du matériau massif et de l’autre à la diminution de la probabilité de trouver des défauts importants dans des corps de petites dimensions. „ Le développement des composites modernes est essentiellement dû à la nécessité de satisfaire les exigences de plus en plus poussées de l’industrie, surtout dans les secteurs: … aérospatial et aéronautique; … défense; … sport; … biomécanique.

Types de matériaux composites

généralement, les composites sont employés sous forme de corps bidimensionnels, plaques ou coques, et en ce qui concerne leur comportement mécanique et l’usage structurel, peuvent être distingués en … composites à fibres courtes: les fibres sont dispersées aléatoirement dans une matrice isotrope; le comportement mécanique macroscopique est isotrope; … composites à fibre longues: les fibres sont disposées de façon ordonnée et orientée dans une matrice isotrope; le comportement mécanique macroscopique est globalement anisotrope. „ Ces matériaux sont normalement assemblés pour constituer des macro-matériaux composites, qui sont essentiellement de deux types: … stratifiés: obtenus par empilement de couches en composite orientées de façon différente; le comportement mécanique macroscopique doit être conçu; … sandwich: panneaux utilisés pour des usages en flexion; généralement le comportement macroscopique est isotrope dans le plan.

Produits de base et semi-produits

„ Fibres: ce sont le constituant de base du renfort des composites; elles sont produites en bobines, comme un fil quelconque, et la plupart des fois sont en verre ou en carbone. verre carbone 8 15 C Produits de base et semi-produits „ Tissus: souvent, les renforts sont fournis sous forme de tissus; les principaux types de tissus sont: „ Il existe aussi des tissus multidirectionnels, pour usages spéciaux (surtout pour des champs de contrainte tridimensionnelle). Stitched Braided 3D 16 C Produits de base et semi-produits „ Mats: ce sont des couches de fibres non tissées, disposées de façon aléatoire, qui sont produits soit secs soit déjà imprégnés de résine. Le comportement mécanique est isotrope. „ Les mats sont utilisés lorsqu’il faut d’un côté légèreté et isotropie, de l’autre des caractéristiques mécaniques non exceptionnelles (les mats n’ont ni une résistance ni une rigidité importante). „ Leurs avantages sont surtout la facilité de mise en œuvre, l’adaptabilité aux formes les plus variées et leur coût, plus faible par rapport aux panneaux à fibres longues orientées. „ Couches pre-impregnées (pre-pregs): ce sont des semi-produits composés de fibres et résine à polymériser (de différentes façons). „ Les fibres peuvent être disposées dans une seule direction ou tissues; le comportement est toujours anisotrope. 9 17 C Produits de base et semi-produits „ L’usage des pre-pregs est réservé à la fabrication des stratifiés ou des couches extérieures des panneaux sandwich. „ Les avantages sont multiples: d’abord, les excellentes performances mécaniques, ensuite la bonne réponse au processus de fabrication. „ En fait, c’est d’abord avec les pre-pregs qu’on obtient les meilleurs résultats en termes d’absence de défauts de fabrication; pour ces raisons, ils sont utilisés pour la fabrication de stratifiés pour les applications de pointe (aviation, espace, sport etc.). „ Considérons maintenant les due semi-produits, les stratifiés et les panneaux sandwich. 18 C Produits de base et semi-produits „ Stratifiés: ils sont obtenus par empilement de couches, généralement à renfort unidirectionnel ou tissu, disposées selon différentes orientations. „ Généralement, l’assemblage des couches se fait par polymérisation de l’ensemble, parfois par collage (par exemple dans la technologie du bois ). Dans le premier cas, donc, la subdivision en couches du produit final est une pure convention. „ Les stratifiés sont utilisés, comme matériaux structuraux, à chaque fois qu’on a, d’un côté, la nécessité d’excellentes performances mécaniques en termes de résistance, rigidité, comportement à la fissuration, et de l’autre, l’exigence de limiter le poids. „ Ces matériaux doivent être conçus selon la nécessité et aujourd’hui se profile l’idée, avec la technologie appropriée, de fabriquer des stratifiés avec une disposition continûment variable des fibres, en direction et quantité. 10 19 C Produits de base et semi-produits „ Les principaux secteurs d’utilisation sont donc l’aéronautique et le sport. „ Panneaux sandwich: ils sont la généralisation au cas bidimensionnel de la poutre en I. „ Le concept clé est celui de mettre la partie résistante à la flexion là où il faut, à l’extérieur, et de remplir la partie centrale avec un matériau léger (mousses solides, balsa, nids d’abeille) pour faire face à l’effort tranchant. „ Ils sont donc employés lorsque la légèreté est fondamentale dans des structures essentiellement sollicitées en flexion. „ Les secteurs d’application les plus importants sont donc le naval, l’espace, l’aéronautique et le sport. 20 n „ Voyons rapidement certaines des technologies de production parmi les plus employées dans la fabrication des composites. „ Celles-ci sont les technologies suivantes: … à jet; … par roulage; … sous vide; … RTM (Resin Transfer Moulding); … RFI (Resin Film Infusion); … pre-impregnés (prepregs); … pultrusion; … FW (Filament Winding). 11 21 n „ Technologie à jet: c’est un jet en pression de résine et fibres courtes premélangées. „ Technologie par roulage: la résine est appliquée à la main sur une couche de fibres pre-appliquée au moule. „ Dans les deux cas, la polymérisation se fait, normalement, à froid, d’habitude avec ajout d’un catalyseur.

 „ Technologie sous vide

la polymérisation de fait dans un moule sous vide, avec vacuum bag, qui permet de comprimer l’objet à la pression atmosphérique.  

„ Technologie RTM (Resin Transfer Moulding): le renfort est placé à sec dans le moule; ensuite, on procède à l’injection de résine en pression, parfois avec moule sous vide.

„ La polymérisation peut se faire à froid ou à chaud, avec ou sans catalyseur. „ Cette technologie est la plus employée dans la production de grande série de pièces à faible qualités structurales. „ Parfois, on fait l’injection de la résine non en pression mais sous vide. „ Technologie RFI (Resin Film Infusion): la résine est preappliquée à un état semi-solide, sur une couche de support, et le moule est placé sous vide. „ Ensuite, la résine est faite fondre d’abord et polymériser ensuite par l’apport de chaleur.