Comprendre les matériaux composites : types, applications et avantages

Les matériaux composites combinent deux matériaux différents ayant des propriétés chimiques et physiques variables. Cette combinaison mène à la création d'un matériau conçu pour effectuer une tâche spécifique telle que devenir résistant à l'électricité, plus léger, plus résistant, ou améliorer la rigidité.

Une raison pour laquelle les utilisateurs préfèrent les matériaux composites par rapport aux matériaux traditionnels est due à leur capacité à améliorer les propriétés de leur matériau de base. Une autre raison est leur utilité dans différentes applications.

Brève histoire

L'utilisation humaine des composites remonte à mille ans. La création des premiers composites était en 3400 av. J.-C. en Irak. Cette société ancienne a joint des bandes de bois les unes aux autres à des angles variables pour créer du contreplaqué. Puis vers 2181 av. J.-C., les Égyptiens ont commencé à produire des masques funéraires à partir de lin ou de papyrus trempé dans du plâtre. Après cela, les deux sociétés ont commencé à renforcer leurs matériaux en utilisant de la paille pour aider à renforcer les bateaux, la poterie et les briques.

1200 ap. J.-C., les Mongols ont commencé à concevoir des arcs composites très efficaces à l'époque. Ils étaient fabriqués à partir d'os, de bois, de soie, de corne, de tendons de bétail et de bambou liés par de la résine de pin.

Après la révolution industrielle, les résines synthétiques ont pris des formes solides par polymérisation. Pendant les années 1900, cette connaissance concernant les produits chimiques a abouti à la création de différents plastiques comme le vinyle, le phénolique et le polyester. Le développement des synthétiques a bientôt commencé et Leo Baekeland, un chimiste, a créé la Bakélite. En raison de sa nature résistante à la chaleur et de son incapacité à conduire l'électricité, elle est utile dans différentes industries.

Dans les années 1930 est venu un très grand moment pour le développement du matériau composite, nommé « composites ». Owens Corning a développé la fibre de verre et a été impliqué dans la création de l'industrie des polymères renforcés de fibres. Ces résines conçues sont encore utiles aujourd'hui et le brevetage des résines polyester insaturées a eu lieu en 1936. Deux ans plus tard, des systèmes de résine à haute performance sont devenus accessibles.

En 1961, la fibre de carbone (première du genre) a été brevetée ; elle était alors disponible commercialement. Au milieu des années 1990, les composites sont devenus très courants pour les processus de construction et de fabrication en raison de leur faible coût par rapport aux matériaux précédemment utilisés.

Les composites d'un Boeing 787 Dreamliner au milieu des années 2000 ont prouvé leur utilisation dans des applications à haute résistance.

Qu'est-ce qu'un matériau composite ?

Un composite est un matériau composé fabriqué en combinant deux ou plusieurs constituants, chacun ayant des caractéristiques chimiques et physiques différentes. Ce type de combinaison produit généralement un matériau conçu pour effectuer une certaine fonction. Par exemple, ils pourraient être plus légers, plus résistants ou plus résistants à l'électricité. Par conséquent, un matériau composite peut également améliorer la résistance, la rigidité et la durabilité.

Ils sont plus préférés aux matériaux traditionnels car ils sont connus pour améliorer les caractéristiques de leurs matériaux de base et sont utiles dans la plupart des applications industrielles, automobile, aérospatiale, marine, énergie, etc.

Malgré les propriétés physiques ou chimiques dissemblables de chaque matériau constituant, ils sont combinés pour produire un matériau avec des propriétés uniques, différentes de leurs éléments individuels. Au sein de la structure combinée, ces éléments individuels sont séparés, distinguant ainsi les composites des solutions solides et des mélanges.

Exemples de composites conçus incluent :

• bois composite comme le contreplaqué
• composites à matrice métallique
• béton armé et maçonnerie
• composites à matrice céramique
• plastiques renforcés comme la fibre de verre ou le polymère renforcé de fibres.

Il y a diverses raisons pour lesquelles de nouveaux matériaux peuvent être inclus dans cette catégorie. Ces matériaux sont plus résistants, moins chers, plus légers ou plus durables que les matériaux courants.

Les chercheurs ont commencé à inclure des fonctionnalités avancées comme le calcul, la détection, la communication et l'actionnement dans les composites, communément appelés matériaux robotiques.

Les matériaux composites sont connus pour leur large gamme d'applications, en particulier dans les bâtiments et les ponts. Ils sont également généralement utilisés pour des structures comme les panneaux de piscine, les réservoirs de stockage, les plans de travail, les cabines de douche, les carrosseries de voitures de course, le granit d'imitation, les éviers en marbre cultivé et les coques de bateaux. De plus, ils deviennent plus populaires dans les applications automobiles. D'autres exemples avancés sont excellents pour une utilisation dans des environnements exigeants comme les avions et les engins spatiaux.

De quoi sont faits les composites ?

Les composites sont fabriqués à partir d'une matrice polymère spécifique, qui a été renforcée avec une fibre naturelle, artificielle telle que l'aramide, le verre carbone, ainsi que d'autres matériaux de renforcement.

La matrice offre une protection aux fibres contre tout dommage externe ou environnemental et aide au transfert de charge entre ces fibres. De plus, les fibres offrent la rigidité et la résistance à la traction pour renforcer la matrice et aident également à résister aux fractures et fissures.

Dans la plupart des produits industriels, la matrice est une résine polyester tandis que le renforcement est la fibre de verre. Cependant, il y a de nombreux mélanges de matériaux de renforcement et de résines utilisés dans les composites. Cependant, de nombreuses combinaisons de renforcements et de résines sont utilisées dans les composites avec chaque matériau contribuant aux propriétés spéciales du produit fini. La fibre est puissante mais cassante, et offre rigidité et résistance à la traction, tandis que les résines plus flexibles offrent la forme et donnent la protection à la fibre.

Composites synthétiques et naturels

Les matériaux composites peuvent se présenter sous forme naturelle ou synthétique. Par exemple, le bois est un composite naturel qui consiste en fibres de bois et lignine. Les fibres contribuent à la résistance du bois tandis que la lignine le lie et offre la stabilité.

D'autre part, le contreplaqué est un composite qui consiste en matériaux à la fois synthétiques et naturels. Dans le cas du contreplaqué, de fines couches de placage forment des feuilles plates qui sont plus résistantes comparées au bois naturel.

Les plastiques sont-ils des composites ?

Bien que certains plastiques soient des composites, certains sont des plastiques purs. Par exemple, les plastiques renforcés de fibres d'aramide sont populaires dans la fabrication et imitent étroitement les propriétés des plastiques Kevlar, qui sont utilisés pour les plaques d'armure et les casques. Par conséquent, d'autres plastiques comme les résines polyester et époxy sont renforcés avec un matériau secondaire en petites quantités. Ainsi, ils augmentent la résistance mécanique et la durabilité sans perdre les propriétés originales du plastique de base.

Comment les composites sont-ils fabriqués en usine ?

Vous pourriez être confus avec les composites artisanaux et les composites industriels, ils sont essentiellement les mêmes choses. Tous les composites qui ne sont pas disponibles par la nature sont appelés artificiels, que vous les posiez manuellement ou utilisiez une machine pour les fabriquer.

Dans les usines, il y a différentes méthodes ; moulage par transfert de résine (RTM), projection, pultrusion, traitement en autoclave, soudage par filament, etc. Cependant, les entreprises de fabrication ne fabriquent pas les composites elles-mêmes. Elles choisissent le bon composite auprès des fournisseurs et les usinent en pièces ou produits composites finis selon les spécifications conçues.

Propriétés majeures des matériaux composites

Les matériaux composites présentent certaines propriétés distinctes qui les rendent utiles dans les applications les plus exigeantes. Ces propriétés des composites contribuent à leur performance.

Discutons de diverses propriétés hautement bénéfiques pour les projets de fabrication.

Durabilité

Le composite de matériaux peut être utilisé dans des conditions météorologiques difficiles ou des environnements corrosifs. De plus, ils fonctionnent bien sous des contraintes répétitives comme les chocs mécaniques et les vibrations. Tout cela en fait un choix parfait pour les applications spatiales, automobiles et aérospatiales entre autres.

Résistance aux chocs

Les composites sont conçus pour tolérer et dissiper les forces d'impact sans les endommager. C'est une propriété importante pour les applications exposées aux impacts. Leur résistance aux dommages des collisions ou chocs les rend essentielles dans les structures de crash.

Résistance

Les composites sont connus pour être plus résistants que leurs matériaux constituants. Ils améliorent la résistance et la robustesse, en faisant une excellente option pour les applications qui ont besoin d'une haute capacité de charge.

Flexibilité

Les composites sont assez flexibles pour le pliage et la déformation. Ils peuvent être conçus pour se plier dans différentes directions sans se casser. Leur nature flexible contribue à leur large utilisation dans la production de membres prostétiques. De plus, le composite de matériaux offre aux ingénieurs et concepteurs une meilleure option dans les applications exposées aux charges dynamiques ou vibrations.

Résistance chimique

Les composites peuvent survivre aux attaques provenant de produits chimiques agressifs ou d'environnements. Par conséquent, ils sont idéaux pour les revêtements résistants aux produits chimiques et l'équipement de traitement chimique.

Légèreté

Les composites sont des matériaux puissants qui permettent la production de composants et structures légers. Leur rapport résistance/poids élevé sert de propriété critique dans les industries où la réduction de poids est une priorité.

Stabilité thermique

Le matériau composite peut résister à la déformation dans des conditions thermiques élevées. Cette capacité à maintenir leur intégrité structurelle dans de telles conditions est une considération importante pour les applications exposées à des températures extrêmes.

Conductivité électrique

Les composites ont une excellente conductivité électrique. Ces matériaux sont conçus pour atteindre d'excellentes propriétés électriques comme l'isolation ou la conductivité.

Isolation acoustique

Une autre caractéristique distinctive des composites est leur capacité à réduire ou prévenir la transmission du bruit. Cette propriété d'isolation phonique les rend parfaits pour les applications d'insonorisation.

Quels sont les avantages des composites ?

Les composites sont devenus un matériau populaire que nous utilisons tous les jours. Des voitures que nous conduisons aux équipements de golf que nous utilisons aux tuyaux utilisés dans notre environnement, ces matériaux ont une énorme fonction à jouer. Même certains dispositifs sophistiqués comme les fusées ont besoin de composite pour fonctionner. L'importance de ces matériaux dans notre environnement et nos vies quotidiennes ne peut être surestimée.

Les composites, comparés aux matériaux traditionnels, offrent beaucoup plus d'avantages. Cela peut être attribué à leurs propriétés uniques. Par conséquent, ils sont devenus un choix plus populaire parmi les ingénieurs, concepteurs et architectes. Dans certains environnements exigeants où la stabilité thermique ou la résistance extrême est une priorité, les composites sont généralement le matériau de référence.

Coûts inférieurs

Les composites sont plus économiques que les matériaux traditionnels comme le bois et le métal. En plus d'être moins chers, ils offrent une plus grande fonction. De plus, ils sont plus respectueux de l'environnement, car ils génèrent moins de déchets.

Moins de temps et d'efforts de production

L'utilisation de composites en production réduit le temps et l'effort utilisés dans l'assemblage de différents matériaux traditionnels.

Flexibilité de conception

Un autre avantage des matériaux composites est que les ingénieurs peuvent les conformer à toutes les formes et formes désirées. Par conséquent, ils peuvent créer des composants complexes à partir de ces matériaux.

Types de matériaux composites

Plusieurs types de composites sont disponibles basés sur le type de matrice de matériau et le milieu de renforcement. Ils offrent des propriétés physiques et mécaniques distinctes, les rendant adaptés à une large gamme d'exigences.

Les suivants sont quelques types courants ;

Nanocomposites

Ce type de matériau composite existe soit sous forme naturelle, soit artificielle. Généralement, le renforceur existe comme un nanomatériau comme le graphène ou les nanotubes de carbone qui sont ajoutés au mélange polymère. Cela pourrait aussi être l'ajout de nanoparticules de silicium à l'acier pour assurer une croissance cristalline fine et parfaite.

Le talc ou le carbonate de calcium pourrait être efficace pour assurer des composites polymères plus résistants et plus rigides dans certaines applications.

Les nanocomposites typiques utilisent des additifs nanomatériaux pour ajouter rigidité, résistance, ainsi que d'autres propriétés incluant la conductivité thermique ou électrique à différentes matrices polymères. Leurs exemples naturels incluent la coquille et l'os. De plus, dans certaines situations, les nanomatériaux représentent d'énormes risques pour la santé, donc la fabrication de ces matériaux pourrait être un problème.

Composites à matrice métallique (MMC)

Les composites à matrice métallique utilisent une matrice métallique telle que le magnésium ou l'aluminium ainsi qu'un renforceur de fibre de haute résistance sous forme de moustache ou de particule.

Généralement, les renforceurs sont des particules de carbure de silicium ou de fibre de carbone, ce qui crée des propriétés spéciales qui surpassent les limites des composants métalliques de base, ce qui inclut l'augmentation de la résistance à la température, l'augmentation de la résistance, avant le début d'une meilleure résistance à l'usure, l'affaiblissement, et la réduction du coefficient de dilatation thermique.

De plus, les composites à matrice métallique sont utiles dans les industries automobile et aérospatiale et offrent un faible poids et une haute résistance. Aussi, ils sont utiles dans les articles de sport, dispositifs médicaux et électronique. Le traitement de ces composites est plus difficile par rapport à la plupart des types de composites. C'est en raison des hautes températures, ainsi que des problèmes avec la distribution uniforme du renforceur.

Composites à matrice polymère (PMC)

Ce sont les formes de matériaux composites les plus facilement comprises et les plus répandues. Le terme inclut la pose manuelle de tissus de fibre de verre et de fibre de carbone ainsi que les résines polyester et époxy injectées, manuelles ou pré-imprégnées qui forment la matrice.

En plus, les matériaux composites PMC fournissent différents avantages, qui incluent une haute résistance et rigidité (par rapport au poids de la pièce), et une haute résistance chimique, thermique, à l'abrasion et mécanique. De plus, les composites à matrice polymère nécessitent une main-d'œuvre très qualifiée, ce qui signifie des coûts plus élevés, bien qu'ils ne soient généralement pas excessifs pour toute application nécessitant des résultats à haute résistance.

Aussi, les PMC sont très utiles dans les secteurs marine, automobile, aérospatial, ainsi que les articles de sport, profitant des avantages de rigidité, haute résistance et légèreté. La fabrication des PMC traite des méthodes d'assemblage comme le bobinage de filament et la pose manuelle, qui pourraient être un processus lent. Il y a un besoin d'avoir un contrôle précis sur l'ensemble du processus de durcissement pour atteindre les propriétés de matériau les plus appropriées.

Polymères renforcés de fibres de verre (GFRP)

Ceux-ci forment un groupe des composites à matrice polymère qui sont spécifiques aux matériaux de fibre de verre liés par polyester et époxy. Ces fibres de verre pourraient être à l'intérieur de brins hachés, offrant une certaine résistance anisotrope aux structures par l'orientation mixte de ces fibres.

Aussi, le renforceur pourrait impliquer du tissu, ce qui rendra le processus plus ordonné mais pas adapté pour les composants en vrac car toutes les fibres sont posées dans un plan. Avec le tissage en rouleau, vous pouvez améliorer la qualité de la pose, et atteindre une plus grande résistance.

Composites hybrides

Ces composites existent comme au moins deux fibres de renforcement différentes, qui sont incorporées dans le matériau éventuel. La combinaison pourrait être celle de fibre de carbone et de verre dans une pose – pour assurer une meilleure résistance. Lors de la fabrication de raquettes, c'est une pratique courante d'utiliser des brins ou mailles de titane. Cela aide à améliorer la performance en flexion et en traction.

Les matériaux pourraient être difficiles car des problèmes de compatibilité pourraient affecter le comportement d'un matériau – par exemple, une fibre spécifique pourrait former un meilleur lien par rapport à l'autre. Il y a un besoin de tests considérables pour confirmer la faisabilité de la matrice hybride. Les composites hybrides partagent des applications similaires aux PMC ; cependant, en raison de leurs coûts plus élevés, leur utilisation est restreinte.

Composites à matrice céramique (CMC)

Le composite de matériaux comme le carbure de silicium, l'aluminium, le carbure de bore et le carbone forme la matrice céramique. Ensuite, cette matrice est renforcée avec des fibres fortes pour former des CMC. Ces matrices céramiques offrent une résistance extrême à la corrosion et à la température ainsi que d'excellentes propriétés d'usure. Cependant, les céramiques sont généralement cassantes chaque fois qu'elles ne sont pas renforcées. L'ajout de filtres de carbure de silicium, de carbone ou d'alumine peut rendre le matériau plus utilisable et contrer sa fragilité.

Les CMC sont utiles pour fabriquer des pales de turbines à gaz, des échangeurs de chaleur et des composants aérospatiaux/roquettes. Ces composites sont très chers et ils sont assez cassants, ce qui limite leur utilisation. Cependant, ce domaine est un domaine de grande recherche et les propriétés continuent de s'améliorer.

Composites à fibres naturelles (NFC)

L'utilisation de fibres naturelles devient une tendance dans la fabrication de composites. Cela réduit l'impact que ces matériaux ont sur l'environnement pendant leur utilisation. Certaines fibres naturelles incluant le bois, le jute, le coton et le lin sont importantes de différentes manières.

Les fibres naturelles liées avec de la résine sont utiles dans la fabrication des panneaux intérieurs d'un véhicule automobile. Ces fibres subissent un moulage par compression pour prendre une forme spécifique, après quoi elles sont revêtues de cuir ou de plastiques pour le surfacement final.

Pour assurer une plus grande résistance et créer un effet bois, vous pouvez ajouter des fibres de bois aux polymères. Aussi, les planches de skateboard utilisent largement des renforcements de fibres naturelles dans des matrices de résine polyester.

Polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP)

Ceux-ci forment un sous-ensemble du composite à matrice polymère. Ils sont spécifiques aux fibres de carbone liées par polyester et époxy. Les poses manuelles nécessitent l'utilisation de fibre de carbone comme tissage en rouleau, utilisant des motifs de tissage pour différents types de distribution de contrainte et de chargement.

Ici, vous imprégnez les fibres avec des résines thermiquement activées. Cela pose le matériau flexible et ensuite il est compressé pour aider à liquéfier et durcir la résine, ce qui produit un résultat rigide. Il est également possible de pultruder des filtres de carbone avec différents polymères pour créer des longueurs CFRP continues dans différentes sections complexes.

Polymères renforcés de fibres d'aramide (AFRP)

Ceux-ci forment un autre groupe des composites à matrice polymère, qui utilise l'aramide comme renforceur. Les composants de fibre d'aramide sont utiles dans les applications à fort impact. Généralement, l'aramide est utile comme tissu tissé. De plus, ils sont pré-imprégnés avec des résines polyester et époxy.

Un autre composite ici est le matériau nid d'abeille aramide/papier, qui sont utiles dans les panneaux de sol à profil bas – qui sont liés par époxy et stratifiés en utilisant des feuilles d'aluminium.

Composites à gradient fonctionnel (FGC)

Les composites à gradient fonctionnel font partie de tous les types de composites. Dans ce matériau composite, vous pouvez modifier les parties constitutives dans l'application via la performance de la structure. Lorsque les propriétés transitent graduellement, ils sont utiles pour éviter les concentrations de contraintes.

Aussi, le gradient fonctionnel pourrait être aussi simple que d'altérer ou d'ajouter le contenu en fibres à un point de contrainte élevée ; hybridation progressive pour aider la résilience aux impacts dans certaines régions ; changements dans le motif de tissage dans le rouleau pour changer la distribution de charge.

Les FGC sont utiles pour fabriquer des composants de vaisseaux spatiaux et d'avions plus résilients et plus légers comme les buses de fusée et les pales de turbine.

Macro-composites

Contrairement aux formes micro ou nano, les macro-composites combinent les matériaux constitutifs sous forme plus grande. Vous pouvez voir les couches ou la structure clairement. Ils sont plus épais et peuvent accommoder différents types de matériaux à différentes zones d'une seule feuille ou barre.

Les types micro sont utilisés dans les applications à haute performance comme les articles structurels et accessoires de fret. Par conséquent, ils peuvent être réellement personnalisés pour satisfaire certaines exigences spécifiques, telles que la résistance mécanique et la flexibilité.

Quelles sont les applications industrielles des matériaux composites ?

Voici quelques domaines où les matériaux composites sont applicables

• Contreplaqué pendant la construction
• Plastique renforcé de verre pour assurer un moulage à haute résistance
• Coques de bateaux, kayaks, peaux d'avions, carénages de motos
• Montures de lunettes (généralement moulage plastique sur une structure métallique spécifique)
• Fibre de carbone (liée par époxy) dans les cannes à pêche
• Ferroconcrète utile pour la construction
• Revêtement de sol d'avions

Conclusion

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FAQ

Les composites sont-ils généralement des plastiques ?

Non, les composites ne sont généralement pas des plastiques. Bien qu'un bon nombre de composites incluent des polymères comme matériau de base, d'autres matériaux tels que les céramiques ou les métaux peuvent servir de composant de base des composites. Certains composites incluent même des fibres naturelles.

Lequel est plus cher, composite ou matériaux traditionnels ?

Le type de matériaux combinés pour produire un matériau composite déterminera son coût. Des facteurs comme les processus de production et les types de matériaux peuvent rendre les composites plus chers que les matériaux traditionnels dans certains cas. Cependant, les composites sont un matériau à faible coût en termes de leur performance améliorée, moins de poids et plus de durabilité.

Quelles sont les principales catégories de matériaux composites ?

Les matériaux composites sont en quatre catégories principales. Ce sont les composites à matrice de carbone (CMC), les composites à matrice polymère (PMC), les composites à matrice céramique (CMC), et les composites à matrice métallique (MMC).

Les composites sont-ils respectueux de l'environnement ?

La plupart du temps, les composites sont respectueux de l'environnement. Cependant, d'autres facteurs comme leur composition matérielle peuvent être un déterminant. Bien que certains composites soient bons pour le recyclage, d'autres peuvent poser une menace pour l'environnement en raison de leurs matériaux constitutifs. La recherche récente vise à développer des composites recyclables.

Quels matériaux de matrice sont couramment utilisés dans les composites ?

Les polymères de différents types sont des matériaux courants utilisés dans la production de composites. D'autres incluent les céramiques comme l'alumine, les métaux comme le titane ou l'aluminium, et le carbone.

Quels sont les inconvénients des matériaux composites ?

Comme d'autres matériaux, les composites ont leurs inconvénients. Ils sont difficiles à réparer et maintenir, sensibles à la délamination, et très complexes à fabriquer pour certaines applications particulières. Aussi, la résistance aux chocs est inférieure comparée aux matériaux traditionnels comme le métal.

Quels matériaux de fibre sont couramment utilisés dans les composites ?

La plupart des composites incluent toujours des matériaux comme les fibres d'aramide comme le Kevlar, les fibres de carbone, les fibres de verre, les fibres métalliques comme l'aluminium, et les fibres naturelles comme le chanvre ou le lin.