vignette|Multicouche, un exemple de matériau composite.
Un matériau composite est un matériau que la technologie moderne a analysé comme un assemblage, ou un mélange hétérogène, d'au moins deux composants non miscibles. Le résultat possède des propriétés avantageuses que les composants seuls ne possèdent pas. On distingue trois éléments d'un composite : une matrice, des renforts (souvent des grains, ou des fils ou fibres, tissés ou non, ou encore une armature solide), et (optionnellement) une charge et des additifs.
Il existe des composites artificiels dont les anciens, qui les utilisent depuis des temps préhistoriques, étaient bien conscients qu'ils devaient leurs propriétés favorables à leur fabrication avec deux composants, comme les torchis ou les briques de terre et de paille ; mais il existe aussi des matériaux qui semblaient homogènes aux anciens (ou aux profanes) alors qu'ils apparaissent de nos jours, au niveau microscopique, comme des composites naturels, tels que l'os, le bois ou des roches comme le grès, ou artificiels, comme les aciers durs. Comme autres exemples de composites on peut citer de la poterie comme le grès cérame, les tissus imprégnés pour les rendre imperméables, des composites de fibre de verre dans une matrice de résine polyester (improprement appelés plastiques), les pneus (composite de caoutchouc renforcé de fils (d'acier, de nylon ou autre), et les bétons (béton de ciment, ou de bitume pour l'asphalte routier). Un tel composite peut à son tour servir de matériau de base pour fabriquer un autre composite, comme le béton armé qui est composite avec une matrice de béton de ciment et des renforts d'acier. Ainsi les composites sont omniprésents. L'apport de la technologie moderne a été de mieux comprendre leur fonctionnement et leur fabrication, ainsi que de permettre de calculer à l'avance les propriétés du composite en fonction de sa composition et de son mode de fabrication. Néanmoins, la description fine des composites reste complexe du point de vue mécanique de par la non-homogénéité du matériau.
Composition Un composite s'analyse dans la plupart des cas comme une armature noyée dans une matrice, laquelle est en plus additionnée de diverses charges qui confèrent à la matrice (et donc au matériau dans son ensemble) des propriétés voulues . La répartition des rôles entre les composants n'est pas figée, mais en général l'armature tient le rôle structurel de supporter les principaux efforts mécaniques, tandis que la matrice assure la protection de l'armature, la cohésion de l'ensemble et certains efforts mécaniques.
Renforts Le renfort est l'armature reprenant l'essentiel des efforts mécaniques. Les renforts peuvent être classés selon : leur composition : métal, verre, polymère ; leur forme : fibres : courtes (0,1 - 1 mm), longues (1 - 50 mm) ou continues (> 50 mm). charges renforçantes : gravier (additionné au ciment pour fabriquer le béton), sable, billes de verre ; leur disposition : mat (nappe de fibres en vrac non tissées), tissé, barres attachées voire soudées.
Le tableau suivant résume les dispositions possibles des différentes formes de renforts dans un matériau composite : Type de renfortRenfort non orientéRenfort orientéFibres longues ou continuesMat de fibres longuesParallèlement les unes par rapport aux autres : renforcement unidirectionnel,
Selon un angle prédéfini (45° par exemple les unes par rapport aux autres) : renforcement multidirectionnel : renfort tissé,Fibres courtesMat de fibres hachées, exemple : waferboardOrientation préférentielle, exemple : panneau de grandes particules orientées (OSB)ChargesMajoritairementOrientation préférentielle possible 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 généralement une bonne résistance à la traction mais une résistance faible à la compression.
Parmi les fibres les plus employées on peut citer : les fibres de verre qui sont utilisées dans le bâtiment, le nautisme et diverses applications structurelles peu chargées. Le coût de production de ces fibres est peu élevé ce qui en fait l'une des fibres les plus utilisées à l'heure actuelle ; les fibres de carbone utilisées pour des applications structurelles visant à obtenir une plus grande légèreté et une meilleure rigidité qu'avec la fibre de verre. Elles sont obtenues 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 (, mâts de bateaux) ; les fibres d'aramide (ou Kevlar qui est une dénomination commerciale) utilisées dans les protections balistiques comme les gilets pare-balles ainsi que dans les réservoirs souples de carburant en ; les fibres de carbure de silicium sont une bonne réponse à l'oxydation du carbone dès . 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 (lin textile). Ces fibres ont de bonnes propriétés mécaniques pour un prix modeste, et sont particulièrement écologiques. On rencontre aussi des fibres de polyester, telles que le textilène.
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.
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 matrice organique (CMO) qui constituent, de loin, les volumes les plus importants aujourd'hui à l'échelle industrielle ; les composites à matrice céramique (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 céramique) ; les composites à matrice métallique (CMM) pour quelques applications spécialisées.
Dans le cas des CMO (composites à matrice organique) les principales matrices utilisées sont : thermodurcissables : les résines polyesters insaturés (UP) 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 époxyde (EP) qui possèdent de bonnes caractéristiques mécaniques. Elles sont généralement utilisées avec les fibres de carbone pour la réalisation de pièces de structure performantes (véhicules et voiliers de compétition, aéronautique), les résines vinylester sont surtout utilisées pour des applications où les résines polyester ne sont pas suffisantes. Elles sont issues d'une modification d'une résine époxyde et excellentes pour des applications de résistance chimique, les résines phénoliques (PF) utilisées dans les applications nécessitant des propriétés de tenue aux feux et flammes imposées par les normes dans les transports civils, les résines polyimides thermodurcissables (PIRP) pour des applications à haute température (environ ) et polybismaléimides (BMI) pour des applications à température intermédiaire (environ ) ; thermoplastiques, comme le polypropylène, le polyamide, le polyétherimide (PEI), le poly(sulfure de phénylène) (PPS) et la poly(éther-éther-cétone de phénylène) (PEEK) pour la réalisation de pièces de structure et d'aéronautique.
Dans le cas des CMC (composites à matrice céramique), 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 exemple, aluminium, magnésium, zinc, nickel) ; d'un renfort métallique ou céramique (par exemple, fils d'acier, particules de SiC, carbone, alumine, poudre de diamant).
Charges Des charges (minérales, organiques ou métalliques) et additifs sont presque toujours incorporés à la matrice. Leurs rôles sont d'une infinie variété : donner une couleur, protéger le matériau de dégradations de toute sortes (oxydation par l'air, attaques chimiques, abrasion mécanique, décoloration ou destruction par les radiations ou simplement la lumière, agression par des êtres vivants -- microbes, champignons --), conférer un état de surface ou des propriétés chimiques ou physico-chimiques, etc.
Mise en forme La mise en forme des matériaux composites peut avoir lieu par des procédés manuels ou mécanisés. Dans l'ensemble, 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 : le moulage par projection simultanée ; le drapage de préimprégnés (catalyse à haute température, souvent sous vide) ; le moulage au contact ; le moulage sous vide ; l'infusion.
Les procédés mécanisés sont : moulage par compression des préimprégnés : SMC (Sheet Molding Compound), BMC (Bulk Molding Compound) ; injection : des thermoplastiques renforcés : moulage par injection de résine ou de pré-imprégné, des thermodurcissables renforcés : RTM (Resin transfer Molding) (voir aussi RTM light), R.RIM (Reinforced Reaction Injection Molding) : l'équivalent de la RIM (Reaction Injection Molding) pour les matériaux composites ; imprégnation en continu ; pultrusion : l'équivalent de l'extrusion pour les matériaux composites ; pull-winding ; formage de plaque, estampage des TRE (Thermoplastiques renforcés estampables) ; enroulement filamentaire ; moulage par centrifugation.
Exemples Quelques exemples de matériaux composites : les composites naturels : le bois et les textiles naturels sont des composites à base d'une matrice en lignine et hémicellulose et de renforts en fibre de cellulose, l'os est un composite à base d'une matrice en collagène et de renforts en hydroxyapatite, les composites artificiels : les matériaux rigides communément appelés « fibre de verre » et « fibre de carbone » sont des composites respectivement de fibres de verre et fibres de carbone et de diverses résines rigides (notamment époxyde), le Micarta est un composite de fibres (initialement coton ou papier) imprégnées à haute pression avec des résines phénoliques durcissantes telles que la Bakélite, les panneaux de bois agglomérés comme le contreplaqué utilisé en menuiserie, construction, ébénisterie, les cloisons de plaques de plâtre, très utilisées dans le bâtiment hors intempéries ; les bétons, formés de granulats (durs et solides) fixés dans une matrice d'un liant relativement plus souple ; le béton armé en génie civil est un composite de béton de ciment et d'acier ; le GLARE, composé principalement d'aluminium et de fibre de verre, est utilisé en aéronautique ; l'acier damassé, composé de plusieurs feuilles d'acier de nuances différentes ; le composite dentaire ; l'amalgame composite pouvant remplacer une dent.
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