Matériau composite

Le matériau composite est un assemblage d'au moins deux matériaux non miscibles. Le nouveau matériau ainsi constitué possède des propriétés que les éléments seuls ne possèdent pas.


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Exemple de matériau composite

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.

Ce phénomène, qui permet de perfectionner la qualité de la matière face à une certaine utilisation (légèreté, rigidité à un effort, etc. ), explique l'utilisation croissante des matériaux composites, dans différents secteurs industriels. Néanmoins, la description fine des composites reste complexe du point de vue mécanique.

Approche industrielle

Un matériau composite est constitué d'une ossature nommée renfort qui assure la tenue mécanique et d'une protection nommée matrice qui est le plus souvent 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 actuellement la plupart de matériaux composites qu'on classe le plus souvent en trois familles selon la nature de la matrice :

Les composites trouvent leurs principales applications dans le transport aérien (civil et militaire), maritime et ferroviaire, le bâtiment, l'aérospatial mais aussi les sports et loisirs, surtout grâce à leur bonne tenue mécanique identique aux matériaux homogènes comme l'acier et leur faible masse volumique.

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 aussi 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.

Principaux composites

Quelques exemples de matériaux composites :

Renforts

Le renfort est le squelette supportant les efforts mécaniques. Les renforts peuvent être classés selon :

Le renfort peut être seul au sein d'une matrice (composite homogène) ou associé à un renfort de nature différente (composite hybride).

Les fibres possèdent le plus souvent une bonne résistance à la traction mais une résistance faible à la compression.

Parmi les fibres les plus employées on peut citer :

Fibre de carbone tissée

Exemple et photos de biocomposit sandwich à partir d'un mat bois/tissus de chanvre et 20% de résine PU ici au §4. Le matériau obtenu combine haute résistance et légèreté, avec un module de flexion porté à 9 000 MPa, et une densité réduite à 0, 5 T/m3. Les tissus de jute pour applications industrielles sont apportés par DAIFA GROUP SAS.

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. Elle permet en outre de donner la forme voulue au produit réalisé.

Dans le cas des CMO (composites à matrices organiques) les principales matrices utilisées sont :

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 :

Des charges (minérales, organiques ou métalliques) et additifs sont presque toujours incorporés à la matrice.

Mise en forme

La mise en forme des matériaux composites peut avoir lieu par des procédés manuels ou mécanisés. Dans la totalité, les outils nécessaires aux procédés mécanisés s'amortissent en produisant en moyenne et grande série; c'est pourquoi les procédés manuels sont plus adaptés à la petite série du point de vue économique.

Parmi les procédés manuels, on distingue :

Les procédés mécanisés sont :

Environnement

La plupart des composites sont à base de polymères thermodurcissables, ce qui les rend difficilement recyclables. Cette contrainte va par conséquent à l'encontre du développement durable. On peut aussi voir de nouvelles recherches axées sur les biocomposites surtout avec des fibres issues de plantes. Les biocomposites sont des matériaux constitués par une matrice (résine) et un renfort de fibres naturelles provenant habituellement des plantes ou de la cellulose (fibre de bois, chanvre, ... ). Qui plus est , ils contribuent au respect de l'environnement car ils sont biodégradables, utilisés dans l'ingénierie des tissus, des applications cosmétiques et de l'orthodontie. Ces biocomposites ne sont pas encore prêts à être mis sur le marché pour des secteurs de pointe.

L'industrie française s'intéresse largement à ce type de matériau[1]

Il est à noter qu'un composite n'est entièrement biodégradable que si la matrice utilisée, en plus de fibres naturelles, l'est elle-même (par exemple, du PLA, polyacide lactique). Dans le cas où on emploie une résine de type "classique" (polyester, époxy... ), l'intérêt d'utiliser des fibres naturelles comme renfort sera le caractère renouvelable de celles-ci, mais on ne pourra pas parler de composite biodégradable.

Formalisation

Le comportement d'un matériau composite se décrit de la façon suivante, en utilisant le formalisme de la mécanique des milieux continus :

Résolution

Le problème précédent ne se résout pas simplement, sauf dans le cas de géométries particulièrement simples (inclusions sphériques, fibres, feuilles empilées, ou généralement dans le cas d'inclusions de forme ellipsoïdale).

Des recherches visent à décrire le comportement du composite sans nécessairement en connaître la géométrie exacte, en essayant de limiter l'énergie de déformation du composite (l'énergie de déformation d'un matériau est). On peut ainsi citer les limites de :

La mécanique des composites est toujours un domaine de recherche théorique active : comportement mécanique ou électrique, linéaire, non linéaire, viscoélastique, avec fissures ou plasticité, flambage...

Une limite de cette modélisation est qu'on ne peut pas connaître de manière précise la microgéométrie d'un composite réel : il y a toujours des défauts ; mais la modélisation sert à décrire de manière assez précise la loi de comportement.

Un autre intérêt de cette recherche théorique entre la géométrie d'un composite et sa loi de comportement est le mode de réalisation d'un matériau dont les caractéristiques mécaniques ont été obtenues par une optimisation informatique.

Bibliographie

Vol. 1 : Introduction à la Science des Matériaux - 3è édition - chapitre 16 - ISBN 2-88074-402-4
Vol. 15 : Matériaux Composites à Matrices Organiques - ISBN 2-88074-528-4

Notes et références

  1. [pdf] Dossier du ministère de l´économie des finances et de l´emploi

Voir aussi

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La version présentée ici à été extraite depuis cette source le 09/12/2010.
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