Qu'est-ce qu'un matériau composite ?

Les matériaux composites avancés sont largement utilisés et offrent de nombreux avantages pour la conception et la fabrication de produits dans tous les secteurs verticaux de l'industrie, notamment l'aérospatiale, l'automobile, la construction navale, l'électronique grand public, les appareils médicaux, les équipements industriels, etc. Voyons ce que sont les matériaux composites en général, leur histoire, leur composition, leur mode de fabrication, les différents types et leurs avantages, ainsi que des exemples de cas d'utilisation.

Un matériau composite est littéralement tout matériau constitué de deux matériaux ou plus. Cela inclut des éléments tels que le béton, le contreplaqué et même des briques égyptiennes en paille de boue vieilles de 6 000 ans.

Cette discussion se concentrera sur les matériaux composites avancés, qui sont généralement constitués de fibres de renforcement solides placées dans de la résine. Les développeurs de produits les utilisent parce qu'ils peuvent concevoir des produits avec un rapport résistance et rigidité plus élevé par rapport à leur poids, comparé aux matériaux standard tels que l'acier, l'aluminium et le titane. Ils peuvent également être fabriqués dans des formes personnalisées pour leurs applications.

Les matériaux composites avancés tels que nous les connaissons sont le résultat du développement de matériaux en résine et de renforts en fibres. Les résines plastiques synthétiques développées pour la première fois à l'ère moderne sont les suivantes :

• Le polystyrène en 1839
• Résines de polyester en 1847
• Chlorure de polyvinyle (vinyle) en 1872
• Résines phénoliques en 1907

Pendant des décennies, des entreprises chimiques, des scientifiques et des ingénieurs ont développé et affiné les processus de synthèse de ces résines et d'autres. Ces travaux se poursuivent encore aujourd'hui.

Les matériaux de renforcement des fibres développés au cours du siècle dernier ont conduit à l'utilisation de matériaux composites avancés dans la construction navale, la défense, l'aérospatiale, l'industrie automobile, les produits de consommation, la médecine et d'autres industries. Ces matériaux comprennent :

• La fibre de verre en 1932
• Fibres de carbone commerciales à haut module en 1964
• Le Kevlar a été introduit publiquement en 1971
• Tissu céramique Nextel 312 fabriqué par 3M en 1974

L'utilisation de matériaux composites avancés s'est accélérée pendant la Seconde Guerre mondiale pour alléger les avions et abriter les équipements radar. Après la guerre, les composites ont commencé à être utilisés dans les voitures, les bateaux et même les planches de surf. Depuis les années 1970, de nouveaux matériaux et de nouvelles méthodes ont élargi l'utilisation des matériaux composites dans le monde entier.

Les matériaux composites avancés sont généralement constitués d'un renfort en fibres et d'une résine (également appelée matrice). Certains modèles de composites contiennent également un noyau épais mais de faible densité.

Examinons-les plus en détail.

Les renforts fibreux courants comprennent des matériaux tels que le verre, le kevlar, la fibre de carbone, le quartz et le bore.

Les fibres de verre les plus courantes sont le verre E, connu sous le nom de "verre électrique" pour ses propriétés isolantes, et le verre S, des fibres à haute résistance et rigidité avec une forte teneur en silice. La fibre de verre S peut être utilisée dans des environnements exigeants tels que les avions. Les types de fibres de carbone comprennent les fibres à base de PAN (polyacrylonitrile) et les fibres à base de brai.

Le kevlar est connu du grand public pour son utilisation dans les gilets pare-balles mais on le trouve également comme ingrédient antiadhésif dans les ustensiles de cuisine. En raison de sa résistance à la chaleur, aux radiations et aux produits chimiques, le Nomex est utilisé dans les équipements de lutte contre les incendies, les combinaisons de vol et les uniformes des équipages de véhicules de combat.

Les fibres peuvent être tissées ou cousues en tissus unidirectionnels ou multiaxiaux, ou utilisées en tant que partie d'un matelas de brins hachés ou de brins continus.

Les résines sont des polymères, de très grosses molécules constituées de longues branches répétitives d'unités chimiques plus simples appelées monomères. Les résines peuvent être organiques ou synthétiques. Elle est placée dans un moule avec des fibres. Au cours du processus de durcissement, elle passe de l'état liquide à l'état solide.

La matrice de résine maintient les renforts en fibres et transfère les charges structurelles d'une fibre à l'autre. Les matériaux courants sont l'époxy, le polycyanate, le polyester et l'ester de vinyle.

L'ajout d'un matériau central entre les couches de fibres et de résine augmente la rigidité et la résistance à la flexion et augmente la résistance au flambage de plusieurs fois par rapport à une conception composite sans noyau. Cependant, le poids n'augmente généralement que de quelques pour cent.

Pour maintenir le poids supplémentaire à un faible niveau tout en augmentant la rigidité, l'âme peut être constituée d'une structure en nid d'abeille. Il s'agit souvent de cellules hexagonales, produites par une méthode d'expansion de feuilles laminées, un processus d'ondulation ou une méthode de moulage. Les âmes en nid d'abeille sont généralement fabriquées en Nomex ou en aluminium. Toutefois, il existe également des noyaux en mousse, tels que le PVC (chlorure de polyvinyle) et le SAN (styrène acrylonitrile).

La fabrication de produits composites est à la fois une science, une compétence et un art. La plupart des composites sont fabriqués à l'aide d'un moule ouvert ou fermé. Pour avoir une idée générale de ce qu'implique la fabrication de produits composites, examinons un processus de moulage par transfert de résine et de moulage par transfert de résine assisté par le vide.
To get a general understanding of what’s involved with manufacturing composite products, let’s take a look at a process for Resin Transfer Molding and Vacuum Assisted Resin Transfer Molding.

1. Mélanger les résines. Il est important de bien mélanger la résine pour éviter la formation de bulles d'air.
2. Préparer les renforts en fibres des rouleaux pour l'application de la résine. Il peut s'agir de les couper, de les placer dans le moule et d'appliquer des bandes étroites aux endroits où les pièces se rencontrent ou se croisent.
3. Disposez les renforts en fibres sous forme de piles sèches dans le moule. Ensuite, serrer un deuxième moule sur le premier.
4. Injecter la résine dans la cavité du moule sous pression.
5. Si un vide est appliqué pour aider à aspirer la résine dans le moule, le processus est connu sous le nom de moulage par transfert de résine assisté par le vide.
6. Durcir la pièce dans le moule à température ambiante, dans un autoclave ou dans un four.
7. Couper et découper à la forme finale.

D'autres méthodes de moulage sont possibles :

• Moulage par injection
• Moulage par compression
• Enroulement du filament
• Pultrusion
• Impression 3D
• Méthodes manuelles telles que la pose par pulvérisation, la pose par voie humide et la pose par voie humide avec mise sous vide.

Les pièces composites peuvent également être fabriquées à partir de "préimprégnés", c'est-à-dire un tissu de fibres de renforcement pré-imprégné d'une matrice de résine partiellement durcie et d'un agent de durcissement. Le pré-imprégné peut être placé directement dans le moule. Pour achever le processus de durcissement, il faut de la chaleur et de la pression.

Il existe de nombreuses variantes des procédés utilisés pour fabriquer des pièces en matériaux composites. De nouvelles techniques et de nouveaux procédés sont développés chaque année.

Compte tenu de la grande variété de matériaux pouvant être utilisés comme fibres de renforcement et résines, il existe de nombreuses catégories de composites. Examinons-en quelques-unes.

Les composites à matrice métallique sont constitués d'un métal tel que l'aluminium, le magnésium ou le titane, qui sert de résine (matrice). Le renfort en fibres peut être un métal ou une céramique, comme l'acier, la fibre de carbone, le carbure de silicium ou l'alumine. Les fibres de renforcement peuvent être continues, discontinues ou sous forme de particules. Ces composites ont un rapport poids/résistance élevé, une résistance à la traction et à la compression, une résistance élevée au fluage et une dilatation plus faible à haute température. On les trouve dans les transmissions, les boîtes de vitesses, les carrosseries de véhicules et même les équipements sportifs.

Les composites à matrice céramique, comme leur nom l'indique, utilisent des céramiques à la fois comme fibres de renforcement et comme matrice de résine. Les céramiques sont des matériaux solides inorganiques non métalliques qui se caractérisent généralement par leur dureté et leur résistance à la corrosion. La fibre et la résine peuvent être constituées de carbone, de carbure de silicium, d'alumine ou d'autres matériaux. Compte tenu de leur résistance à la chaleur et à la corrosion, elles ont de nombreuses applications dans les moteurs, les turbines, les automobiles (freins) et l'aérospatiale.

Bien que la fibre de verre soit un composant des plastiques renforcées de fibres de verre, le terme fibre de verre est souvent utilisé de manière interchangeable comme nom du matériau composite. L'une des premières utilisations non militaires des composites a été la coque d'un bateau en fibre de verre en 1942. En raison de son faible coût, on la trouve également dans les réservoirs de stockage, les systèmes de tuyauterie et diverses applications domestiques.

Ces composites sont probablement les plus reconnaissables par leur motif noir distinct. Les fibres de carbone sont maintenues dans des matrices de polymère ou de plastique comme celles énumérées dans la section sur les résines ci-dessus. Grâce à la possibilité de les mouler dans une grande variété de formes, on les trouve dans de nombreuses industries et applications, notamment l'aérospatiale, l'automobile, la construction, l'électronique grand public, les articles de sport, les dispositifs médicaux et les implants, etc.

Les matériaux composites sont présents dans tous les types de produits, car ils peuvent être conçus en fonction de la taille, de la forme et de la résistance nécessaires à leur utilisation.

Les composites peuvent être polymérisés pour obtenir des formes moins coûteuses à usiner et produisant moins de déchets que les mêmes pièces produites par les méthodes traditionnelles de fabrication soustractive (par exemple, le fraisage, le tournage, le moulage et le moulage par injection).

Les pièces composites peuvent être conçues en fonction des charges nécessaires qu'elles rencontreront. L'incorporation d'un nid d'abeilles d'une épaisseur trois fois supérieure à celle de la fibre-résine peut augmenter la rigidité de 30 à 40 fois et la résistance de plus de neuf fois par rapport à la même structure sans nid d'abeilles. Le poids de la structure n'augmente que de quelques pour cent. C'est l'une des raisons pour lesquelles les structures composites peuvent présenter des rapports résistance/poids plus élevés que des pièces similaires fabriquées à partir de métaux continus traditionnels tels que l'acier, l'aluminium, le cuivre, le laiton, le bronze, le fer ou le titane.

Les fibres composites peuvent se présenter sous forme de brins continus, de rouleaux tissés, de morceaux ou de particules. Les résines sont fabriquées dans les composites sous une forme liquide qui durcit pour devenir solide. Par conséquent, les composites peuvent être façonnés dans n'importe quelle forme pouvant être construite par le moule. Les matériaux composites peuvent également être imprimés en 3D (comme dans le cas de la fabrication additive).

En fonction du choix des matériaux pour les fibres et la résine, ainsi que des revêtements appliqués au cours du processus de fabrication, les matériaux composites peuvent être résistants à l'exposition chimique, à la corrosion et à la pénétration de l'humidité.

En fonction des fibres, de la résine, des revêtements et des procédés de fabrication, les matériaux composites peuvent être conçus pour résister aux conditions de leur environnement d'exploitation. Il peut s'agir d'une résistance à la température, aux radiations et à la fatigue. Les matériaux composites nécessitent souvent moins d'entretien que des pièces similaires en métal, en plastique ou en béton.

Les composites tels que les CMC et les PRV peuvent être fabriqués à partir de matériaux qui sont des isolants électriques et qui sont donc incapables de transporter une charge électrique. D'autres composites sont fabriqués à partir de matériaux à faible coefficient de conductivité thermique, ce qui en fait d'excellents isolants thermiques.

Depuis les années 1940, les matériaux composites avancés sont utilisés dans pratiquement tous les secteurs. Jetons un coup d'œil à quelques-uns d'entre eux.

Toutes les entreprises du secteur aérospatial s'intéressent à la réduction du poids. La réduction de la masse se traduit directement par les performances et les capacités d'un véhicule. Les fabricants de fusées suivent le coût par livre ou par gramme. Toute réduction de poids permet d'améliorer le produit. Les composites sont présents dans tous les domaines de l'aéronautique, des lanceurs et des satellites, notamment dans les fuselages, les surfaces de vol, les cadres structurels, les moteurs, les turbines, les trains d'atterrissage et l'avionique. Le Boeing 787 Dreamliner est le premier avion de ligne dont la cellule est principalement constituée de matériaux composites.

Il y a de fortes chances que les autoroutes et les ponts sur lesquels vous conduisez votre voiture soient construits avec des matériaux composites tels que le béton bitumineux, la chaussée composite et les barres d'armature en fibre de verre. Bien que plus chers que le béton, les matériaux composites sont également utilisés dans la construction de bâtiments pour leur poids réduit, leur durabilité et leur résistance à la corrosion. Ils sont également utilisés dans les services publics tels que les réseaux électriques et les systèmes d'approvisionnement en eau.

Les matériaux composites peuvent être conçus pour la résistance à la chaleur, la conductivité électrique ou l'isolation, et l'apparence. Ils sont donc idéaux pour une grande variété d'applications, notamment les cartes de circuits imprimés, les moteurs, les interrupteurs, les disjoncteurs, les transformateurs, les boîtiers, les écrans, les antennes et les composants d'éclairage.

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