Comprendre les matériaux composites :types, applications et avantages

Les matériaux composites combinent deux matériaux différents ayant des propriétés chimiques et physiques différentes. Cette combinaison conduit 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. 

L’une des raisons pour lesquelles les utilisateurs préfèrent les matériaux composites aux matériaux traditionnels est leur capacité à améliorer les propriétés de leur matériau de base. Une autre raison est leur utilité dans différentes applications.

Bref historique

L’utilisation humaine des composites remonte à mille ans. La création des premiers composites remonte à 3400 avant JC. en Irak. Cette ancienne société joignait des bandes de bois les unes sur les autres sous différents angles pour créer du contreplaqué. Puis, vers 2181 avant JC, les Égyptiens ont commencé à produire des masques mortuaires à partir de lin ou de papyrus imbibé de plâtre. Après cela, les deux sociétés ont commencé à renforcer leurs matériaux en utilisant de la paille pour renforcer les bateaux, la poterie et les briques.

En 1200 après JC, les Mongols ont commencé à concevoir des arcs composites qui étaient alors très efficaces. Ils ont été fabriqués à partir d'os, de bois, de soie, de corne, de tendons de bétail et de bambou liés à l'aide de résine de pin.

Après la révolution industrielle, les résines synthétiques ont pris des formes solides grâce à la polymérisation. Au cours des années 1900, ces connaissances en matière de produits chimiques ont abouti à la création de différents plastiques comme le vinyle, le phénolique et le polyester. Le développement des matières synthétiques commença bientôt et Leo Baekeland, un chimiste, créa la bakélite. En raison de sa nature résistante à la chaleur et de son incapacité à conduire l'électricité, il est utile dans différentes industries.

Dans les années 1930, on vit une période très importante pour le développement de matériaux composés, appelés « composites ». Owens Corning a développé la fibre de verre et a participé à la création de l'industrie des polymères renforcés de fibres. Ces résines techniques sont toujours utiles aujourd'hui et le brevet des résines polyester insaturées a eu lieu en 1936. Deux ans plus tard, des systèmes de résine plus performants sont devenus accessibles.

En 1961, la fibre de carbone (la toute première) a été brevetée; il était alors disponible dans le commerce. Au milieu des années 1990, les composites sont devenus très courants dans les processus de construction et de fabrication en raison de leur faible coût par rapport aux matériaux utilisés auparavant.

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

Qu'est-ce qu'un matériau composite ?

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

Ils sont davantage 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, automobiles, aérospatiales, marines, énergétiques, etc.

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

Voici des exemples de composites techniques :

• 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 existe diverses raisons pour lesquelles de nouveaux matériaux peuvent être inclus dans cette catégorie. Ces matériaux sont plus solides, moins chers, plus légers ou plus durables que les matériaux courants.

Les chercheurs ont commencé à intégrer des fonctionnalités avancées telles que 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, notamment dans les bâtiments et les ponts. Ils sont également généralement utilisés pour des structures telles que des panneaux de piscine, des réservoirs de stockage, des comptoirs, des cabines de douche, des carrosseries de voitures de course, des imitations de granit, des éviers en marbre de culture et des coques de bateaux. Ils sont également de plus en plus populaires dans les applications automobiles. D'autres exemples avancés sont parfaits 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 et 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 rigidité et résistance à la traction pour renforcer la matrice et aident également à résister aux fractures et aux fissures.

Dans la plupart des produits industriels, la matrice est en résine polyester tandis que le renfort est en fibre de verre. Cependant, il existe de nombreux mélanges de matériaux de renforcement et de résines utilisés dans les composites. Cependant, de nombreuses combinaisons de renforts et de résines sont utilisées dans les composites, chaque matériau contribuant aux propriétés particulières du produit fini. La fibre est puissante mais cassante et offre rigidité et résistance à la traction, tandis que les résines plus flexibles offrent une forme et confèrent une 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 composé de fibre de bois et de lignine. Les fibres contribuent à la résistance du bois tandis que la lignine le lie et offre sa stabilité. 

D’autre part, le contreplaqué est un composite composé à la fois de matériaux synthétiques et naturels. Dans le cas du contreplaqué, de fines couches de placage forment des feuilles plates plus résistantes que le bois naturel.

Les plastiques sont-ils des composites ? 

Si certains plastiques sont des composites, d’autres sont des plastiques purs.  Par exemple, les plastiques renforcés de fibres d'aramide sont populaires dans la fabrication et imitent fidèlement les propriétés des plastiques Kelvar, utilisés pour les plaques de blindage et les casques. Par conséquent, d’autres plastiques comme les résines polyester et époxy sont renforcés avec des matériaux secondaires 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 confondu avec les composites artificiels et les composites industriels, ce sont essentiellement les mêmes choses.  Tous les composites qui ne sont pas disponibles par nature sont appelés fabriqués par l'homme, que vous les prépariez manuellement ou que vous utilisiez une machine pour les fabriquer.

Dans les usines, il existe différentes méthodes; Moulage par transfert de résine (RTM), pulvérisation, pultrusion, traitement en autoclave, soudage de filaments, etc. Cependant, les entreprises manufacturières ne fabriquent pas elles-mêmes les composites. Ils choisissent le bon composite auprès des fournisseurs et les usinent en pièces ou produits composites finis selon les spécifications conçues.

Principales propriétés des matériaux composites

Les matériaux composites présentent des propriétés distinctes qui les rendent utiles dans les applications les plus exigeantes. Ces propriétés des composites contribuent à leurs performances.

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

Durabilité  

Le composite de matériaux peut être utilisé dans des conditions météorologiques difficiles ou dans des environnements corrosifs. En outre, ils fonctionnent bien sous des contraintes répétitives telles que des chocs mécaniques et des 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. Il s’agit d’une propriété importante pour les applications exposées aux impacts. Leur résistance aux dommages dus aux collisions ou aux chocs les rend essentiels dans les structures de collision.

Force 

Les composites sont connus pour être plus résistants que leurs matériaux constitutifs. Ils améliorent la résistance et la robustesse, ce qui en fait une excellente option pour les applications nécessitant une capacité de charge élevée.

Flexibilité 

Les composites sont suffisamment flexibles pour se plier et se déformer. 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 prothétiques. De plus, le composite de matériaux offre aux ingénieurs et aux concepteurs une meilleure option dans les applications exposées à des charges dynamiques ou à des vibrations.

Résistance chimique

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

Léger

Les composites sont des matériaux puissants qui permettent la production de composants et de structures légers. Leur rapport résistance/poids élevé constitue une propriété essentielle dans les industries où la réduction du 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 un facteur important pour les applications exposées à des températures extrêmes. 

Conductivité électrique

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

Isolation acoustique 

Une autre caractéristique distinctive des composites est leur capacité à réduire ou à empêcher la transmission du bruit. Cette propriété d'isolation acoustique le rend parfait pour les applications d'insonorisation.

Quels sont les avantages des composites ?

Les composites sont devenus un matériau populaire que nous utilisons quotidiennement. Des voitures que nous conduisons aux équipements de golf que nous utilisons en passant par les tuyaux utilisés dans notre environnement, ces matériaux ont un rôle énorme à jouer. Même certains appareils sophistiqués comme les fusées ont besoin de composite pour fonctionner. L'importance de ces matériaux dans notre environnement et notre vie quotidienne ne peut être surestimée.

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

Réduire les coûts

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 fonctionnalité. 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 dans la production réduit le temps et les efforts nécessaires à l'assemblage de différents matériaux traditionnels.

Flexibilité de conception 

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

Types de matériaux composites

Plusieurs types de composites sont disponibles en fonction du type de matrice matérielle et du support de renforcement. Ils offrent des propriétés physiques et mécaniques distinctes, ce qui les rend adaptés à un large éventail d'exigences. 

Voici quelques types courants : 

Nanocomposites

Ce type de matériau composite existe sous forme naturelle ou artificielle. Généralement, le renfort existe sous forme de nanomatériau comme le graphème ou les nanotubes de carbone qui sont ajoutés au mélange polymère. Il pourrait également s’agir de l’ajout de nanoparticules de silicium à l’acier pour assurer une croissance cristalline fine et parfaite. 

Le talc ou le carbonate de calcium pourraient être efficaces pour garantir des composites polymères plus solides et plus rigides dans certaines applications.

Les nanocomposites typiques utilisent des additifs nanomatériaux pour ajouter de la rigidité, de la résistance ainsi que d'autres propriétés, notamment la conductivité thermique ou électrique, à différentes matrices polymères. Leurs exemples naturels incluent la coquille et les os. De plus, dans certaines situations, les nanomatériaux représentent d'énormes risques pour la santé, leur fabrication pourrait donc poser 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 renfort fibreux de haute résistance sous forme de trichites ou de particules. 

Généralement, les renforts sont des particules de carbure de silicium ou de fibre de carbone, ce qui crée des propriétés spéciales qui dépassent les limites des composants métalliques de base, notamment une augmentation de la résistance à la température, une augmentation de la résistance, avant le début d'une meilleure résistance à l'usure, un affaiblissement et une 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 résistance élevée. Ils sont également utiles dans les articles de sport, les appareils médicaux et l’électronique. Le traitement de ces composites est plus difficile contrairement à la plupart des types de composites. Cela est dû aux températures élevées, ainsi qu'aux problèmes de répartition uniforme du renfort.

Composites à matrice polymère (PMC)

Ce sont les formes de matériaux composites les plus faciles à comprendre et les plus répandues. Le terme inclut le drapage manuel de tissus en fibre de verre et en fibre de carbone ainsi que les résines polyester et époxy injectées, manuelles ou pré-imprégnées qui forment la matrice.

De plus, les matériaux composites PMC offrent différents avantages, notamment une résistance et une rigidité élevées (contrairement au poids de la pièce), ainsi qu'une résistance chimique, thermique, à l'abrasion et mécanique élevée. 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.

En outre, les PMC sont très utiles dans les secteurs maritime, automobile, aérospatial et sportif, car ils bénéficient des avantages de rigidité, de haute résistance et de légèreté. Les PMC de fabrication traitent des méthodes d'assemblage telles que l'enroulement filamentaire et le drapage manuel, ce qui peut être un processus lent. Il est nécessaire d'avoir un contrôle précis sur l'ensemble du processus de durcissement pour obtenir les propriétés matérielles les plus appropriées.

Polymères renforcés de fibres de verre (GFRP)

Ceux-ci forment un groupe de composites à matrice polymère spécifiques aux matériaux en fibre de verre à liaison polyester et époxy. Ces fibres de verre pourraient se trouver à l’intérieur de brins coupés, offrant une certaine résistance anisotrope aux structures grâce à l’orientation mixte de ces fibres. 

En outre, le renfort pourrait impliquer du tissu, ce qui rendrait le processus plus ordonné mais ne conviendrait pas aux composants en vrac car toutes les fibres sont disposées dans un plan. Avec la mèche tissée, vous pouvez améliorer la qualité du drapage et obtenir une plus grande résistance.

Composites hybrides

Ces composites existent sous la forme d'au moins deux fibres de renforcement différentes, qui sont incorporées dans le matériau éventuel. La combinaison pourrait être celle de la fibre de carbone et du verre superposés – pour assurer une meilleure résistance. Lors de la fabrication de raquettes, il est courant d’utiliser des brins ou des mailles en titane. Cela contribue à améliorer les performances de flexion et de traction.

Les matériaux peuvent être difficiles car des problèmes de compatibilité peuvent affecter le comportement d’un matériau :par exemple, une fibre spécifique peut former une meilleure liaison qu’une autre. Des tests considérables sont nécessaires pour confirmer la faisabilité de la matrice hybride. Les composites hybrides partagent des applications similaires à celles des 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 constitue la matrice céramique. Ensuite, cette matrice est renforcée avec des fibres résistantes 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 fragiles lorsqu’elles ne sont pas renforcées. L'ajout de filtres en carbure de silicium, en carbone ou en alumine peut rendre le matériau plus utilisable et contrer sa fragilité.

Les CMC sont utiles dans la fabrication d'aubes de turbines à gaz, d'échangeurs de chaleur et de composants aérospatiaux/fusées. Ces composites sont très coûteux et assez fragiles, ce qui rend leur utilisation limitée. Cependant, ce domaine fait l'objet de recherches approfondies et ses propriétés ne cessent de s'améliorer.

Composites de fibres naturelles (NFC)

L'utilisation de fibres naturelles devient une tendance dans la fabrication de composites. Cela réduit l’impact de ces matériaux sur l’environnement lors de leur utilisation. Certaines fibres naturelles, notamment le bois, le jute, le coton et le lin, sont importantes à différents égards.

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

Pour assurer une plus grande solidité et créer un effet bois, vous pouvez ajouter des fibres de bois aux polymères. De plus, les planches de skateboard utilisent largement des renforts en fibres naturelles dans des matrices en 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 au polyester et à l'époxy. Les drapages manuels nécessitent l'utilisation de fibre de carbone comme mèche tissée, en utilisant des modèles de tissage pour différentes répartitions de contraintes et types de chargement. 

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

Polymères renforcés de fibres d'aramide (AFRP)

Ceux-ci forment un autre groupe de composites à matrice polymère, qui utilise l’aramide comme renfort. Les composants en 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 de résines polyester et époxy. 

Un autre composite ici est le matériau en nid d'abeilles aramide/papier, qui est utile dans les panneaux de revêtement de sol à profil bas, qui sont liés à l'époxy et superposés à l'aide de feuilles d'aluminium.

Composites fonctionnellement classés (FGC)

Les composites fonctionnellement classés font partie de tous les types de composites. Dans ce matériau composite, vous pouvez modifier les éléments constitutifs dans l'application via les performances de la structure. Lorsque les propriétés transitent progressivement, elles sont utiles pour éviter les concentrations de contraintes. 

En outre, le classement fonctionnel pourrait être aussi simple que de modifier ou d’ajouter la teneur en fibres à un point de contrainte élevé ; une hybridation progressive pour contribuer à avoir un impact sur la résilience dans certaines régions ; changements dans le motif de tissage dans la mèche pour modifier la répartition de la charge.

Les FGC sont utiles pour fabriquer des composants d'engins spatiaux et d'avions plus résistants et plus légers, tels que des tuyères de fusée et des aubes de turbine.

Macro Composites 

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

Les types micro sont utilisés dans des applications hautes performances telles que les éléments structurels et les accessoires de fret.  Par conséquent, ils peuvent être personnalisés pour répondre à certaines exigences spécifiques, telles que la résistance mécanique et la flexibilité.

Quelles sont les applications industrielles des matériaux composites ?

Vous trouverez ci-dessous quelques-uns des domaines dans lesquels les matériaux composites sont applicables

• Contreplaqué pendant la construction
• Plastique renforcé de verre pour garantir un moulage à haute résistance
• Coques de bateaux, kayaks, revêtements d'avion et carénages de motos
• Montures de lunettes (généralement moulées en plastique sur une structure métallique spécifique)
• Fibre de carbone (liée époxy) dans les cannes à pêche
• Béton armé utile à des fins de construction
• Plancher des 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 la céramique ou les métaux peuvent servir de composant de base des composites.  Certains composites contiennent même des fibres naturelles.

Quels sont les matériaux les plus chers :les matériaux composites ou traditionnels ?

Le type de matériaux combinés pour produire un matériau composite déterminera son coût. Des facteurs tels que 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 peu coûteux en termes de performances améliorées, de poids réduit et de durabilité accrue.

Quelles sont les principales catégories de matériaux composites ?

Les matériaux composites se répartissent en quatre catégories principales. Il s'agit des composites à matrice de carbone (CMC), des composites à matrice polymère (PMC), des composites à matrice céramique (CMC) et des 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 déterminants. Si certains composites peuvent être recyclés, d’autres peuvent constituer une menace pour l’environnement en raison des matériaux qui les constituent. Des recherches récentes visent à développer des composites recyclables. 

Quels matériaux de matrice sont couramment utilisés dans les composites ?

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

Quels sont les inconvénients des matériaux composites ?

Tout comme les autres matériaux, les composites ont leurs inconvénients. Ils sont difficiles à réparer et à entretenir, sensibles au délaminage et très complexes à fabriquer pour certaines applications particulières. De plus, la résistance aux chocs est inférieure à celle des matériaux traditionnels comme le métal.

Quels matériaux fibreux sont couramment utilisés dans les composites ?

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