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sujet: Les différents types de matériaux composites: constitution, fabrication, utilisation

- Les différents types de matériaux composites: constitution, fabrication, utilisation

communiquons sur la dite page si vous voulez créer une autre page faites comme ca Utilisateur:Vev/composite/page2 et mettez le lien sur cette meme page. Hervé

• Francois xavier: matériau composite / Approche industrielle / Historique / Principaux composites / Environnement
• jean-marc: Mise en forme
• hervé: Renforts / Matrices

Autres paragraphes HORS SUJETS: Description mécanique

http://dia-installer.de/index.html.en

Introduction (fx)

Un matériau composite peut être défini d'une manière générale comme l'assemblage de deux ou plusieurs matériaux. Le nouveau matériau ainsi constitué possède des propriétés que les éléments seuls ne possèdent pas.

Le matériau composite = Renfort + Matrice.

Le renfort : armature, squelette, il assure la tenue mécanique (résistance à la traction et rigidité). Souvent de nature filamentaire (des fibres organiques ou inorganiques).

La matrice : lie les fibres renforts, répartie les efforts (résistance à la compression ou à la flexion), assure la protection chimique. Par définition, c'est un polymère ou une résine organique.

Par exemple, le béton armé = ciment (matrice) et ossature en acier (renfort).

Exemple de matériau composite

Image BETON ARME

Il faut différencier renforts et charges:

- Les renforts, sous forme de fibres, contribuent uniquement à améliorer la résistance mécanique et la rigidité de la pièce dans laquelle ils sont incorporés.

- Les charges, sous forme d'éléments fragmentaires, de poudres ou liquide, modifient une propriété de la matière à laquelle on l'ajoute (par exemple la tenue aux chocs, la résistance aux UV, le comportement au feu…).

sources:

wikipédia: http://fr.wikipedia.org/wiki/Mat%C3%A9riau_composite

Glossaire des matériaux composites C.A.R.M.A: http://www.materiatech-carma.net/module/index_module.php?rub=1&sous_rubrique=70&page=detail&id=1144997097

fabrication (jean-marc)

FABRICATION :

Les technologies de mise en oeuvre

PROCEDE MANUEL

Les technologies dites en moule ouvert :

Moulage au contact

Principe

Procédé manuel pour la réalisation de pièces à partir de résines thermodurcissables, à température ambiante et sans pression. Les renforts sont déposés sur le moule et imprégnés de résine liquide, accélérée et catalysée. Après durcissement de la résine, la pièce est démoulée et détourée.

MOULERésineRenfortEbulleurRésine + renfortGelcoat

Cas d'utilisation

Procédé pour petites séries : de 1 à 1000 pièces / an Pièces de grandes à très grandes dimensions Revêtement sur supports divers et in situ

Caractéristiques principales

Avantages Limites Très larges possibilités de forme Pas de limite dimensionnelle Une surface lisse gelcoatée (aspect, tenue à la corrosion) Propriétés mécaniques moyennes à bonnes Investissements spécifiques très faibles Moules simples, peu onéreux, rapides à réaliser en interne Une seule face lisse Nécessité de finition (détourage, perçage, etc.) Qualité tributaire de la main d'oeuvre Faible cadence de production par moule Espace de travail important Conditions de travail médiocres

Matières premières

Renforts : mats, tissus de fibre de verre, de carbone ou d'aramide (taux de renfort volumique allant jusqu’à 35 % dans le cas du verre) Résines : polyesters, époxy, phénoliques, vinylesters Divers : catalyseur, accélérateur, charges, pigments, agent de démoulage, acétone

Matériel

Moule : simple coque généralement en composite, éventuellement en plusieurs éléments assemblés Outillages à mains : ciseaux, pinceaux, ébulleurs, pistolet à peinture ou gel-coateuse

Energies

Electricité : éclairage, ventilation, chauffage Air comprimé : motorisation outillage, démoulage

Moulage par projection simultanée

Principe

Procédé manuel ou robotisé permettant la réalisation de pièces à partir de résines thermodurcissables à température ambiante et sans pression. Les matières premières sont mises en oeuvre à l'aide d'une machine dite "de projection" comprenant : un dispositif de coupe - projection du renfort (roving) un ou deux pistolets projetant simultanément la résine

Les fils coupés et la résine sont projetés sur la surface du moule puis compactés et ébullés à l'aide de rouleaux et d'ébulleurs. La résine préaccélérée est catalysée en continu lors de sa projection.

Cas d'utilisation

Production de pièces de moyennes à grandes dimensions Recherche de réduction des coûts par rapport au contact Petite et moyenne série

Caractéristiques principales

Avantages Limites Très larges possibilités de forme et dimensions Travail simplifié, suppression de la mise en forme obtenue directement par la projection Productivité plus élevée qu'au contact Coût du roving < mat Investissements très modérés Moules simples, peu onéreux, rapides à réaliser en interne Une seule face lisse Propriétés mécaniques moyenne Qualité tributaire de la main d'oeuvre Conditions de travail très médiocres si absence d'agencements nécessaires

Matières premières

Renfort : fibre de verre sous forme de roving assemblés, taux de renfort de 25 à 35 % en volume. Résines : principalement polyesters mais aussi phénoliques ou hybrides Divers : catalyseurs, accélérateur, pigments, charges, agent de démoulage, solvant

Matériel

Moules en composites (simple coque) Machine de projection (mélange interne ou externe) Dispositif de ventilation, extraction des vapeurs de styrène Petit outillage de stratification à la main

Energies

Electricité : éclairage, ventilation, chauffage Air comprimé : motorisation outillage, démoulage

Les technologies dites en moule fermé :

Moulage sous vide - Infusion

Principe

Le moulage sous vide s'effectue entre moule et contre-moule rigide, semi-rigide ou souple suivant la technologie de mis en oeuvre. Le renfort (mat, tissu, préforme) est placé à l'intérieur du moule ; la résine catalysée est versée sur le renfort. On utilise la pression qui s'exerce sur le moule lors de la mise sous vide pour répartir la résine et imprégner le renfort. La résine peut également être injectée par l'aspiration consécutive au vide.

Cas d'utilisation

Production en petites séries de pièces nécessitant deux faces lisses Amélioration des conditions de travail et d'hygiène (réduction des émanations de styrène)

Caractéristiques principales

Avantages Limites Deux faces lisses, éventuellement gelcoatées Qualité non tributaire de la main d'oeuvre Qualité constante Bonne cadence de production Nécessite peu de surface Investissements très modérés Bonnes conditions de travail et d'hygiène Possibilités de formes plus réduites qu'au contact Mise au point parfois difficile

Matières premières

Renforts : mats fils coupés ou fils continus, préformes, tissus Résines : polyester, vinylester, phénolique, époxy Divers : catalyseur, accélérateur, pigments, charges, agent de démoulage, solvant

Matériel

Moules et contre-moules en composites ou pellicules souples Pompes à vide avec réservoir tampon

Energies

Electricité, air comprimé souhaitable (démoulage)

PROCEDE MECANIQUE

Moulage par injection basse pression de résine - RTM

Principe

Le moulage par injection de résine liquide RTM (Résine Transfert Molding) s'effectue entre moule et contre-moule rigides. Le renfort (mats, préforme, éventuellement tissus) est disposé dans l'entrefer du moule. Une fois celui-ci solidement fermé, la résine, accélérée et catalysée, est injectée sous faible pression (1.5 à 4 bars) à travers le renfort jusqu'au remplissage complet de l'empreinte. Après durcissement de la résine, le moule est ouvert et la pièce démoulée.

Cas d'utilisation

Procédé pour moyennes séries : 1000 - 10000 pièces/an Pièces demandant une reproductibilité d'épaisseur

Caractéristiques principales

Deux faces lisses, éventuellement gelcoatées Dimensions jusqu'à 7 m² Qualité non tributaire de la main d'oeuvre Qualité constante Cadence de production élevée Nécessite peu de surface Investissements très modérés Bonnes conditions de travail et d'hygiène Limité aux formes peu ou moyennement complexes Taux de renforcement et caractéristiques mécaniques moyennes à élevées Nécessité d'effectuer des finitions post moulage

Matières premières

Renforts : mats de fils coupés ou continu, préformes, voiles de surface ou/et tissus de verre, carbone, aramide. Taux de renfort : 20 - 60 % Résines : polyesters, phénoliques (résols), époxydes, vinylesters Divers : catalyseurs, accélérateur, pigments, charges, agents démoulants, solvant de rinçage

Matériel

Moule et contre-moule en composite rigides et résistants avec système de fermeture rapide. Variantes métallo-composites et métalliques. Appareillage d'injection de résine : pot sous pression ou système à pompes doseuses Appareillage de manutention des moules (ouverture/fermeture)

Energies

Electricité, air comprimé

Moulage à la presse à froid "voie humide" basse pression

Principe

Moulage à l'aide d'une presse à compression entre moule et contre-moule rigides en composite, initialement sans apport thermique extérieur. Moule ouvert, le renfort (mat) est posé sur la partie inférieure du moule et la résine, dotée d'un système catalytique très réactif, est versé en vrac sur le renfort. La fermeture du moule sous pression (2 à 4 bars) entraîne la répartition de la résine dans l'empreinte et l'imprégnation du renfort. Le durcissement de la résine est accéléré progressivement par l'élévation de température du moule due à l'exothermie de la réaction, ce qui permet un démoulage rapide. Les performances du procédé peuvent être considérablement améliorées par l'usage de moules métalloplastiques, voire métalliques, et d'un système de régulation thermique basse température.

Cas d'utilisation

- Production en moyenne séries (500 à 5000 unités)

Caractéristiques principales Deux faces lisses Dimensions jusqu'à 7 m² Qualité non tributaire de la main d'oeuvre Qualité constante Cadence de production élevée Nécessite peu de surface Investissements très modérés Conditions de travail et d'hygiène normales Limité aux formes peu complexes Limité aux dimensions moyennes (2m²) Durée de vie des moules courtes (1500 à 4000 pièces) Nécessité d'effectuer des finitions post moulage

Matières premières

Renforts : mat de fils continus, liant basse solubilité Résine : polyester Divers : catalyseurs, accélérateurs, charges, pigments, agents démoulants

Matériel

Presse compression basse pression (30 t/m² utiles) à vitesse de fermeture réglable Moule et contre-moule : caissons en composites et béton de résine

Energie

Electricité, air comprimé

L’infusion de résine sous membrane souple

Le principe repose sur le dépôt, dans un moule femelle, des renforts secs (tissus, âmes, etc.) qui vont concevoir la pièce composite, et de créer un système étanche à l’air à l’aide d'une bâche à vide. L’infusion consiste ensuite à injecter de la résine, par dépression réalisée sur la pièce, sur les tissus déposés à sec. Cas d'utilisation

Production : petite séries (facilement adaptable, permet la réalisation de grande surface) Pièces à très bonne résistance mécanique

Matières premières

Résines : polyester, époxyde Renforts : Tous types de renfort (tissus, matériaux sandwiches etc.)

Principales caractéristiques

Avantages Limites Pas d’émission de COV Excellente reproductibilité et homogénéité des caractéristiques Taux de renfort pouvant atteindre 65 % Bon compactage des tissus Bonne imprégnation Difficulté de mise en oeuvre et de la gestion des paramètres Matériel non réutilisable

Matériel

Pompe à vide Fût de résine Moule femelle gel-coaté , tissus de drainage (Soric®,mousses Diab®, filet Diatex®) et une bâche souple Drain d'in

Energie

Electricité Injection Pompe à vide Frein Fût de résine Vide

Les technologies pour grandes séries :

Moulage par injection de compound - BMC

Principe

Le compound B.M.C (Bulk Molding Compound) préparé dans un malaxeur est une masse à mouler constituée de résine, de charges et d'adjuvants divers, renforcée par des fils de verre coupés. Le compound est moulé à chaud (130 - 150 °C) par injection (principalement) entre moule et contre-moule en acier usiné. La pression (50 à 100 bars) de fermeture du moule entraîne le fluage de la matière préalablement dosée et le remplissage de l'empreinte. Le temps de durcissement très court permet un démoulage rapide.

Cas d'utilisation

Production en grandes séries Pièces de taille petite et moyenne, plus ou moins épaisses

Caractéristiques principales

Avantages Limites Possibilité de formes très complexes, finitions intégrés Grande précision de moulage Bon état de surface Cadences de moulage élevées en fonction de l'épaisseur Coût de matière réduit Non tributaire de la main d'oeuvre Bonnes conditions de travail et d'hygiène Investissements assez élevés Propriétés mécaniques modestes Nécessité de doser la matière Limites dimensionnelles

Matières premières

Compound du commerce ou compound préparé en interne : Résine polyester (principalement), catalyseur à chaud, agent de démoulage, charges, pigments, éventuellement agents anti-retrait et de mûrissement Renfort : fils de verre coupés (6 à 25 mm) à raison de 10 à 28 %

Matériel

Préparation : moyens de pesée, malaxeur pour la préparation du compound Moulage : moule en acier usiné chromé thermorégulé, presse d'injection ou de compression à vitesse de fermeture réglable

Energies

Electricité, air comprimé

Moulage par compression de mat preimprégné - SMC

Principe

Le mat préimprégné SMC (Sheet Molding Compound) est constitué d'une nappe de fils coupés ou continus, imprégnée par un mélange de résine polyester, de charges et d'adjuvants spécifiques divers. Découpé en flans de masse et dimensions déterminées, le mat préimprégné est moulé à chaud (140 à 160 °C) par compression entre un moule et un contre-moule en acier usiné. La pression (50 à 100 bars) entraîne le fluage de la matière et le remplissage de l'empreinte. Le temps de durcissement très court (en fonction de l'épaisseur) permet un démoulage rapide.

Cas d'utilisation

Production en grandes séries Pièces d'aspect

Principales caractéristiques

Avantages Limites Possibilité de formes très complexes, finitions intégrées Capacité dimensionnelle élevée : jusqu'à 3-5 m² Grande précision de moulage Etat de surface carrosserie prêt à peindre Bonnes propriétés du matériau : mécaniques, thermiques, tenue au feu, anti-corrosion Cadences de moulage élevées Coût de matière réduit Non tributaire de la main d'oeuvre Larges possibilités d'automatisation Bonnes conditions de travail et d'hygiène Investissements élevés à très élevés Cadence de moulage et constance de qualité encore un peu insuffisantes pour la grande série automobile

Matières premières

Mat préimprégné du commerce ou compound préparé en interne :

Mélange d'imprégnation : polyesters, agents compensateurs de retrait, charges, catalyseurs, inhibiteurs, agents de mûrissement, agents de démoulage, pigments Renfort : fils de verre spécifique sous forme de roving (taux de renfort 25 à 50 % pondéral)

Matériel

Eventuellement, ligne de production de mat préimprégné Presse compression haute pression, à vitesses de fermeture réglables Moules en acier chromés thermorégulés

Energies

Electricité, air comprimé, éventuellement circuit de chauffage (huile, vapeur)

Domaines d'applications

- Industrie automobile (tourisme et utilitaire) : pièces de carrosseries sous capots, pièces de protection

Industrie électrique 
       -	 Industrie électrique : coffrets de comptage, réglette d'éclairage 
       - 	 Pièces industrielles diverses 

Moulage par enroulement filamentaire

Principe

Procédé de moulage limité aux formes de révolution. Initialement, destiné à la réalisation d'enveloppes de révolution nécessitant de hautes performances mécaniques par enroulement progressif sur un mandrin, selon un angle déterminé de fils de verre imprégnés de résine. Par la suite, le procédé a été étendu à des structures moins performantes en associant aux rovings bobinés d'autres types de renfort (fils coupés, mat, tissu) appliqués de façon adaptée.

Cas d'utilisation

Toutes pièces de révolution à produire en série Pièces nécessitant une résistance élevée

Principales caractéristiques

Pièces à haute, voire très haute résistance (taux de renfort jusqu’à 80 % pondéral, fils continus orientés selon la direction des contraintes) Très grande latitude dimensionnelle (de quelques mm à plusieurs mètres en diamètre et longueur) Part de main d'oeuvre réduite : mécanisation Cadences de production élevées Formes de révolution seulement Une seule face lisse Investissements assez élevés (lignes industrielles)

Principales caractéristiques

Avantages Limites Pièces à haute, voire très haute résistance (taux de renfort jusqu’à 80 % pondéral, fils continus orientés selon la direction des contraintes) Très grande latitude dimensionnelle (de quelques mm à plusieurs mètres en diamètre et longueur) Part de main d'oeuvre réduite : mécanisation Cadences de production élevées Formes de révolution seulement Une seule face lisse Investissements assez élevés (lignes Industrielles)

Matières premières

Renforts : rovings spécifiques à l’enroulement (éventuellement préimprégnés), roving coupé, mats de fils coupés, tissus uni/bi-directionnels, mats de surface Résines : polyester, époxy, vinylester, phénoliques Divers : catalyseurs, accélérateurs

Matériel

Machines d'enroulement, très nombreux types adaptés à chaque cas d'application Mandrins

Energie Electricité, air comprimé

Moulage par centrifugation

Principe

Procédé de moulage limité aux enveloppes cylindriques. A l'intérieur d'un moule cylindrique en rotation à basse vitesse, on dépose des fils coupés à partir de roving (ou du mat), de la résine catalysée et accélérée et éventuellement des charges granulaires. Puis, on augmente la vitesse de rotation du moule pour densifier et débuller la matière. Après durcissement de la résine, éventuellement accélérée par un apport thermique, on peut extraire très facilement la pièce du moule.

Cas d'utilisation

Production de tuyau (écoulement gravitaire et basses pression) Production de grandes viroles (moulage par rotation : centrifugation basse vitesse)

Principales caractéristiques

Avantages Limites Deux faces parfaitement lisses Larges possibilités dimensionnelles Matériau de très bonne qualité (pas de bulles) Aucune perte de matière Haut niveau de mécanisation, possibilité d'automatisation complète Bon niveau de productivité Seulement les formes cylindriques (ou très faiblement coniques) Pas de possibilité de variation d'épaisseur Caractéristiques mécaniques moyennes Investissements élevés ; les moules doivent être parfaitement équilibrés

Matières premières

Résines : polyesters, vinylesters, éventuellement époxy Renforts : roving coupé in situ (mats disposés à l'arrêt pour petits diamètres) Divers : systèmes catalytiques, pigments, sable

Matériel

Machine de centrifugation, dispositif d'alimentation / coupe de roving, résine Moules : diamètre 0,1 à 0,5 mètres

Energie

Electricité, air comprimé

Moulage par pultrusion

Principe

Le procédé est destiné à la réalisation en continu de profilés de sections constantes. Des renforts continus, rovings divers, mats et tissus en bandes de largeurs appropriées, tirés par un banc de traction situé en fin de ligne de production, sont successivement prédisposés de façon précise, imprégnés de résine et mis à la forme désirée par passage à travers une filière chauffée dans laquelle s'effectue le durcissement de la résine.

Cas d'utilisation

Réalisation de profilés en quantités significatives (plusieurs milliers de mètres linéaires).

Principales caractéristiques

Avantages Limites Toutes formes de sections, même creuses, angles vifs Aspect de surface lisse, moyen Très grande résistance mécanique, surtout longitudinale Bonne productivité : 0,2 à 2,5 m/min selon résines et sections Très faible part de main-d'oeuvre Bonnes conditions de travail et d'hygiène niveau de productivité Pas de possibilité de variation de sections Profilé nécessairement rectiligne sauf Pull Forming Investissement relativement élevé

Matières premières

Renforts : rovings directs, fils texturés, mats fil continus (liant insoluble), tissus Résines : polyester, époxy, vinylester, acrylique, phénolique Divers : systèmes durcisseurs, charges, pigments, lubrifiants

Matériel

Ligne de pultrusion : cantres (alimentation renforts), organes de guidage, système d'imprégnation, filière avec système de chauffage, banc de traction, banc de découpe.

Energie

Electricité, air comprimé

Moulage par injection de résine réactive renforcée fibres broyées (R.R.I.M.)

Principe

Il s'agit principalement du moulage de polyuréthannes rigides. Le renfort, fibre de verre broyée, est incorporé dans le polyol, à raison de 10-20 % pondéral (sur le produit final). Le processus de moulage reste le même que pour les PU non renforcés : alimentation dosée sous pression de chacun des deux composants (polyol et isocyanate), mélange, injection dans un moule fermé, réaction, durcissement, démoulage.

Cas d'utilisation

Production : moyennes à grandes séries Pièces pour lesquelles les propriétés des PU sont insuffisantes

Principales caractéristiques

Avantages Limites Pièces de formes complexes, de moyennes dimensions Faible densité Propriétés mécaniques nettement meilleures que celles de PU purs Réduction du retrait thermique Tenue en température Aspect correct après peinture Investissement relativement élevé

Matières premières

Résines : polyols et isocyanate Renfort : fibre de verre broyée (0,1 à 0,3 mm)

Matériel

Machine à injecter les polyuréthannes Moule / contre-moule : composite, alliage léger, acier (selon les séries à produire), système de fermeture de moule

Energie

Electricité, air comprimé

Moulage par injection de résine réactive renforcée fibres longues (S.R.I.M.)

Principe

Il s'agit d'un moulage entre moule et contre-moule. Le renfort sous forme de mats ou de tissus (20 à 60 % pondéral) est disposé préalablement dans le moule chauffé (100 - 150 °C). Le système de résine à deux composants très réactifs est injecté sous pression (20 - 30 bars). Après durcissement (1 à 3 min), la pièce peut être démoulée

Cas d'utilisation

Production : moyennes à grandes séries Pièces à bonne résistance mécanique

Matières premières

Résines : polyuréthannes, polyisocyanurate, polycarbonate Renforts : mats de fils continus préformés, tissus

Principales caractéristiques

Avantages Limites Pièces de formes type "embouti", moyenne complexité Matériau de moyenne densité (1,2 à 1,7) Bonnes propriétés mécaniques Temps de cycle de moulage compatibles avec la grande série (1 à 2 min) Procédé entièrement automatisable Limites dimensionnelles Investissement relativement élevé (procédé encore au stade de développement industriel)

Matériel

Machine d'injection des mélanges à deux composants Moule acier usiné, poli, avec système de chauffage Presse pour ouverture / fermeture du moule sous pression

Energie

Electricité, air comprimé

Constitution (hervé)

Un matériau composite est constitué de deux éléments:

• une ossature appelée renfort
• une protection appelée matrice

On peut également ajouter des charges et des adjuvants.

on les classent en trois familles en fonction de la nature de la matrice :

• les composites à matrices organiques (CMO)
• les composites à matrices céramiques (CMC)
• les composites à matrices métalliques (CMM)

Renforts

Fibre de carbone tissée

Le renfort est l'ossature du matériaux, ils peuvent être classés selon :

• leur composition : métal, verre, polymère, etc. ;
• leur forme :
  • fibres : courtes (0,1 - 1 mm), longues (1 - 50 mm) ou continues (> 50 mm). Les fibres continues peuvent être disposées :
    • parallèlement les unes par rapport aux autres : renforcement unidirectionnel ;
    • selon un angle prédéfini (45° par exemple les unes par rapport aux autres) : renforcement multidirectionnelles ;
    • d'une façon aléatoire.
  • charges renforçantes : gravier (additionné au ciment pour fabriquer le béton), sable, billes de verre, etc. ;
• leur disposition : mat ou tissé.

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 (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
• Les fibres d'aramide (ou Kevlar
• Les fibres de carbure de silicium
• chanvre ou le lin (ces fibres ont de bonnes propriétés mécaniques pour un prix modeste)

Les charges

Il s'agit de matières organiques, minérales, métalliques ou synthétiques permettant de modifier de manière sensible les propriétés du matériau composite.

• Organiques : fibres et poudres de cellulose, farine de bois, poudre de noyaux de fruits
• Minérales : carbonates de calcium et/ou de magnésium, silices, sulfates
• Métalliques : poudres ou paillettes de nickel, cuivre ...
• Synthétiques : microbilles de verre, silices, fibres de nylon, ryselan ...

Les additifs

Il s'agit de la substance ajoutée à la résine pour modifier ou améliorer le comportement rhéologique ou les propriétés du produit fini :

• accélérateurs et catalyseurs de polymérisation
• diluants
• plastifiants ou flexibilisateurs
• tensioactifs
• pigments et colorants
• anti-oxydants, anti UV, anti-ozones, antistatiques ...

Les âmes

Les âmes creuses ou pleines sont utilisées pour renforcer la rigidité, mais également :

• L'isolation thermique
• La tenue en température
• La tenue au feu
• La performance acoustique du matériau

utilisation

http://www.apollinaire-technologie.com/

• Pièces travaillant dans un environnement de froid extrême (4 Kelvins) pour le CERN de Genève
• Pièces mécaniques soumises à de hautes tensions électriques - Sous ensembles destinés au démontage des lignes à haute tension
• Pièces haute température pour l'avionique ou le spatial
• Pièces techniques d'aspect, en carbone sérigraphié
• Pièces blindées électromagnétiques
• Pièces peintes et assemblées, technologies hybrides métal / composites....

liens externes

• (fr) Pôle de compétitivité EMC2 (Ensembles Métalliques et Composites Complexes)
• (fr) Compositec : Centre de formation et laboratoire matériaux
• (fr) COGIT Composites : Ingénierie des composites
• (fr) Apollinaire Technologie & KLOTZ Co. : Fabrications composites
• http://www.compositec.com/compositec-promotion/pourquoi-les-choisir
• pdf

article matériau composite

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 d'améliorer 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.

Le matériau de Composite = Matrice + Renfort. Par exemple, le béton armé = ciment et ossature en acier ou pierres dures comme le silex ou autres.

Approche industrielle

Un matériau composite est constitué d'une ossature appelée renfort qui assure la tenue mécanique et d'une protection appelée matrice qui est généralement 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 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 matrices organiques (CMO) qui constituent, de loin, les volumes les plus importants aujourd'hui à l'échelle industrielle,
• les composites à matrices céramiques (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 matrices métalliques (CMM).

Les composites trouvent leurs principales applications dans le transport aérien (civil et militaire), maritime et ferroviaire, le bâtiment, l'aérospatial ainsi que les sports et loisirs, notamment grâce à leur bonne tenue mécanique comparable 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 également 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.

• 1823 : Charles Macintosh créé l'imperméable avec du caoutchouc sur des tissus comme le coton.
• 1892 : François Hennebique dépose le brevet du béton armé (le composite utilisé en construction) avec le béton qui forme la matrice et l'acier qui forme le renfort.

Principaux composites

Quelques exemples de matériaux composites :

• Les composites naturels :
  • Le bois est un composite à base d'une matrice en lignine et de renforts en fibre de cellulose.
  • L'os est un composite à base d'une matrice en collagène et de renforts en apatite.
• 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 epoxy).
  • 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 Placoplatre, très utilisé dans le bâtiment hors intempéries.
  • Le béton armé en génie civil est un composite de béton et d'acier.
  • Le GLARE composé principalement d'aluminium et de fibre de verre est utilisé en aéronautique.
  • L'acier damassé était un composé de plusieurs feuilles d'acier de nuances différentes.

Renforts

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

• leur composition : métal, verre, polymère, etc. ;
• leur forme :
  • fibres : courtes (0,1 - 1 mm), longues (1 - 50 mm) ou continues (> 50 mm). Les fibres continues peuvent être disposées :
    • parallèlement les unes par rapport aux autres : renforcement unidirectionnel ;
    • selon un angle prédéfini (45° par exemple les unes par rapport aux autres) : renforcement multidirectionnelles ;
    • d'une façon aléatoire.
  • charges renforçantes : gravier (additionné au ciment pour fabriquer le béton), sable, billes de verre, etc. ;
• leur disposition : mat ou tissé.

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 non structurantes. 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.

Fibre de carbone tissée

• Les fibres de carbone utilisées pour des applications structurantes. 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 (Formule 1, 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 souple de carburant en Formule 1.
• Les fibres de carbure de silicium sont une bonne réponse à l'oxydation du carbone dès 500 °C. 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 puisque ce sont des produits naturels.

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 fournis 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 :

• Les 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 époxy (EP) qui possèdent de bonnes caractéristiques mécaniques. Elles sont généralement utilisées avec les fibres de carbone pour la réalisation de pièces de structure et d'aéronautique.
  • Les résines vinylester sont surtout utilisées pour des applications où les résines polyester ne sont pas suffisantes. Elle est issue d'une modification d'une résine époxyde et est excellente 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 (~300°C) et polybismaleimides (BMI) pour des applications à température intermédiaire (~225°C).

• Les thermoplastiques comme le polypropylène ou le polyamide ou comme le polyéther imide (PEI), le sulfure de polyphénylène (PPS) et la polyétheréthercétone (PEEK) pour la réalisation de pièces de structure et d'aéronautique.

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 :

• d’une matrice métallique (par ex. aluminium, magnésium, zinc, nickel,…)
• d’un renfort métallique ou céramique (par ex : fils d’acier, particules de SiC, carbone, alumine, poudre de diamant…)

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 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:

• la projection simultanée à l'aide d'un pistolet qui dose la proportion fibre/matrice
• 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:

• Compression des préimprégnés :
  • SMC (Sheet Molding Compound)
  • BMC (Bulk Molding Compound)
• Injection :
  • des thermoplastiques renforcés : Moulage par injection
  • 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
• Estampage des TRE (Thermoplastiques renforcés estampables)
• Enroulement filamentaire

Environnement

La plupart des composites sont à base de polymères thermodurcissables, ce qui les rend difficilement recyclables. Cette contrainte va donc à l'encontre du développement durable. On peut aussi voir de nouvelles recherches axées sur les biocomposites notamment avec des fibres issues de plantes. Les biocomposites sont des matériaux formés par une matrice (résine) et un renfort de fibres naturelles provenant usuellement des plantes ou de la cellulose (fibre de bois, chanvre,...). De plus, 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 grandement à ce type de matériau

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.

Description mécanique

Formalisation

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

• on a $n$ matériaux différents qui forment le composite (on parle de « phases », caractérisées par leur fraction volumique et leur géométrie)
• A l'intérieur de chaque phase, le matériau peut se déformer et subir des contraintes. La déformation se fait selon la loi de comportement du matériau en question (que l'on connaît) : $\scriptstyle {\underline {\underline {\sigma }}}={\underline {\underline {\underline {\underline {L}}}}}_{i}:{\underline {\underline {\epsilon }}}$ pour le cas linéaire.
• Il y a équilibre des forces volumiques, soit, dans chaque matériau i : $\scriptstyle {\underline {\operatorname {div} }}({\underline {\underline {\sigma }}})={\underline {0}}$ si l'on néglige la force de pesanteur devant les forces appliquées au matériau (pression, traction, cisaillement).
• Enfin, l'agrégation des comportements de chaque matériau simple, pour aboutir au comportement du composite, nécessite de décrire l'équilibre des forces entre deux matériaux « collés », en chaque point de leur surface de contact. Cette condition est que la force exercée par le matériau 1 sur le matériau 2 à la surface de contact ($\scriptstyle {\underline {\underline {\sigma }}}_{1}\cdot {\underline {n}}$ si $\scriptstyle {\underline {n}}$ désigne le vecteur unitaire perpendiculaire à la surface) doit être opposée à celle exercée par le matériau 2 sur le matériau 1. Ceci implique une certaine continuité du champ de contraintes $\scriptstyle {\underline {\underline {\sigma }}}$ : on doit avoir (en chaque point des surfaces de contacts des matériaux mélangés dans le composite) $\scriptstyle ({\underline {\underline {\sigma }}}_{2}-{\underline {\underline {\sigma }}}_{1})\cdot {\underline {n}}={\underline {0}}$. C'est par cette condition qu'intervient la microgéométrie du mélange dans la détermination du comportement du composite. Ainsi, en mélangeant des matériaux isotropes selon une géométrie non isotrope (fibres, feuilles...), on obtient un composite non isotrope mais dont les propriétés mécaniques sont issues des celles des matériaux initiaux !
• Ainsi, le matériau composite est décrit en chacun de ces points. La loi de comportement du composite qui en résulte doit pouvoir faire le lien entre les déformations macroscopiques et les contraintes macroscopiques (c'est-à-dire leurs valeurs moyennes, car par exemple si l'on mélange un matériau mou et un dur, les déformations microscopiques seront très variables selon le matériau, et c'est la déformation globale que l'on observera à l'échelle du composite). Cette loi de comportement du composite est dite « effective » : on note $\scriptstyle {\underline {\underline {\underline {\underline {L}}}}}^{\text{eff}}$ dans le cas linéaire.

Résolution

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

Des recherches visent à décrire le comportement du composite sans forcément en connaître la géométrie exacte, en essayant de borner l'énergie de déformation du composite (l'énergie de déformation d'un matériau est $\scriptstyle {\frac {1}{2}}{\underline {\underline {\sigma }}}:{\underline {\underline {\epsilon }}}$). On peut ainsi citer les bornes de :

• Voigt et Reuss : ${\overline {{\underline {\underline {\underline {\underline {L}}}}}^{-1}}}^{-1}\leqslant {\underline {\underline {\underline {\underline {L}}}}}^{\text{eff}}\leqslant {\overline {\underline {\underline {\underline {\underline {L}}}}}}$
  Les cas extrêmes de ces inégalités sont atteignables par des géométries de couches empilées. D'ailleurs, on retrouve ici un résultat constant de la physique : la résistance électrique d'un assemblage de résistances est la somme des résistances lorsqu'elles sont en série, ou est l'inverse de la somme des inverses quand elles sont en parallèle (résultat similaire également avec un assemblage de ressorts). La différence est qu'ici la loi de comportement n'est pas décrit par un scalaire (comme c'est le cas pour une résistance électrique ou une raideur de ressort), mais par une grandeur multidimensionnelle (le tenseur $\scriptstyle {\underline {\underline {\underline {\underline {L}}}}}$ d'ordre 4).
  NB : ici $\scriptstyle {\overline {A}}$ désigne la moyenne de $\scriptstyle A$ sur tout le volume du composite ; et l'inégalité entre tenseurs $\scriptstyle {\underline {\underline {\underline {\underline {A}}}}}\leqslant {\underline {\underline {\underline {\underline {B}}}}}$ s'entend au sens où pour tout tenseur $\scriptstyle {\underline {\underline {\epsilon }}}$ on a $\textstyle {\underline {\underline {\epsilon }}}:{\underline {\underline {\underline {\underline {A}}}}}:{\underline {\underline {\epsilon }}}\leqslant {\underline {\underline {\epsilon }}}:{\underline {\underline {\underline {\underline {B}}}}}:{\underline {\underline {\epsilon }}}$

• Hashin et Shtrikman : bornes plus précises, dans le cas isotrope.

La mécanique des composites est encore 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 que l'on ne peut pas connaître de manière précise la microgéométrie d'un composite réel : il y a toujours des défauts ; mais la modélisation permet de 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

• Matériaux - Tome 2. Microstructure et mise en œuvre - chapitre 25 - auteurs : Ashby et Jones - Dunod (1991)
• Traité des Matériaux - Presses Polytechniques et Universitaires Romandes - Site des PPUR

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)

• Des Matériaux - chapitre 14 - auteurs : Dorlot, Baïlon, Masounave - Éditions de l'École Polytechnique de Montréal (1986)
• Matériaux réfractaires et céramiques techniques - chapitre 25 - auteur : G. Aliprandi - Éditions Septima (1989)
• Technologie des composites - auteur : Maurice Reyne - Hermes (1995) - (ISBN 2-86601-455-3)

Voir aussi

• (fr) Généralités sur les matériaux composites
• Matériau
• Matière plastique
• Plastique à renfort fibre de carbone