COMPOSITES À FIBRES (MATÉRIAUX)

COMPOSITES À FIBRES (MATÉRIAUX)

La famille des matériaux composites à fibres, apparue dans les années quarante, met à profit les hautes propriétés mécaniques de certaines fibres, et souvent leur faible densité, en les enveloppant dans une matrice pour constituer une nouvelle classe de matériaux structuraux.

Bien que les matériaux composites soient souvent présentés comme nouveaux et révolutionnaires, il est possible d’en trouver partout dans la nature, que ce soit dans le monde végétal ou dans le monde animal. Une multitude de matériaux naturels, les uns rigides mais légers, comme les os, les autres souples mais résistants, comme le bois, doivent leurs propriétés mécaniques à leur structure composite. Ces matériaux font partie de la famille des composites puisqu’ils comprennent des fibres noyées dans une matrice de nature différente. Le bois contient des fibres de cellulose souples et résistantes en traction, associées à une matrice de lignine qui les enveloppe et assure la continuité structurale. Sa structure fibreuse se manifeste par le fil du bois. Les os sont constitués de fibres de collagène qui compensent les propriétés de la matrice d’apatite, dure et fragile.

Cette nouvelle classe de matériaux structuraux, les matériaux composites ou simplement les composites , est fondée sur les principes déjà exploités par la nature. Ces matériaux comprennent deux composants: la matrice, qui a souvent des propriétés mécaniques faibles, et des fibres, qui apportent au composite leurs hautes caractéristiques mécaniques. Il existe de nombreux types de charges possibles, mais les fibres sont habituellement choisies et cela pour deux raisons. En premier lieu, les fibres constituent une forme exceptionnelle de la matière: à titre d’exemple, la résistance d’une fibre de verre peut être cinq cents fois plus élevée que celle du même verre sous forme de bloc; la fabrication de la fibre élimine en effet les défauts de surface qui affaiblissent le verre massif. D’autres fibres doivent à leur structure moléculaire très étirée et ordonnée leur résistance et leur module élevé. En second lieu, la forme longue et fine de la fibre convient au renforcement des matrices, et est la plus efficace pour jouer ce rôle.

1. Renforcement par fibres continues

Renforcements unidirectionnels: la loi des mélanges

La manière dont les fibres sont arrangées dans la matrice influe beaucoup sur les propriétés finales du composite. Les propriétés les plus spectaculaires sont obtenues dans le sens des fibres, avec un matériau composite unidirectionnel, c’est-à-dire avec un composite dont toutes les fibres sont disposées parallèlement les unes par rapport aux autres. Avec un arrangement idéal des fibres en forme d’hexagone, il est possible d’occuper plus de 90 p. 100 du volume du composite avec des fibres. En réalité, cette fraction volumique en fibres V^f n’est jamais atteinte à cause des limitations physiques dues à la difficulté de faire pénétrer la matrice entre les fibres. Habituellement, les composites ont une fraction volumique en fibre voisine de 60 p. 100, et la répartition des fibres dans la matrice est rarement parfaitement régulière.

Lorsqu’un composite unidirectionnel est chargé parallèlement aux fibres, il se déforme: si on suppose que l’adhésion entre fibre et matrice est bonne, la déformation 﨎 (rapport de l’allongement sur la longueur originale) de chaque composant est identique; on a alors:

La charge appliquée est partagée entre les fibres et la matrice:

A est la section de chaque composant et 靖 la contrainte (charge par unité de surface) subie par chaque composant. Puisque la longueur de chaque composant est celle du composite entier, on peut écrire:

On peut déduire des équations 1, 2 et 3 que la contrainte appliquée au composite est donnée par:

et que le module de Young (rapport de la contrainte 靖 sur la déformation 﨎) du composite est donné par:

Cette dernière équation, ou loi des mélanges , ne représente qu’une analyse simplifiée de la distribution des contraintes dans un composite unidirectionnel soumis à une charge appliquée dans le sens des fibres. Cependant, en utilisant un raisonnement analogue, il est possible d’écrire les équations suivantes pour le module de Coulomb G et le coefficient de Poisson 益:

Les équations ci-dessus ne décrivent pas ce qui se passe dans un matériau à faible fraction volumique de fibres, où la matrice devient donc prédominante. Dans ce cas, les fibres sont trop éloignées les unes des autres pour pouvoir jouer un rôle de renforcement. À la rupture, la figure 1 montre que la courbe représentative de la loi des mélanges coupe l’axe des ordonnées (fraction volumique nulle) pour une contrainte 靖^m . La loi des mélanges décrit le comportement du composite dominé par les fibres, pour lesquelles la déformation à la rupture est normalement considérablement inférieure à celle de la matrice. La contrainte 靖^m n’est donc pas la contrainte à la rupture de la matrice, 靖^mu , mais celle qui est subie par la matrice au moment de la rupture des fibres.

La matrice étant prédominante aux faibles fractions volumiques, la courbe de contrainte à la rupture du composite 靖^cu en fonction de V^f est donnée par:

la résistance du composite passe donc par un minimum à V^fmin et la fraction volumique doit atteindre une valeur critique V^fcrit avant que les fibres apportent une amélioration.

Résistance des composites unidirectionnels sous charge oblique

Dans le cas des matériaux composites unidirectionnels chargés sous un certain angle par rapport aux fibres, il est possible de définir trois mécanismes qui contrôlent la résistance à la rupture du composite. Si la charge appliquée est parallèle ou quasi parallèle aux fibres, une analyse simplifiée, fondée sur les contraintes maximales qu’un matériau peut supporter, montre qu’il faut rompre les fibres pour casser le matériau. La relation qui contrôle la rupture est:

où 靖^cu est la résistance à la rupture dans le sens des fibres, et où 﨏 est l’angle entre la direction de la contrainte appliquée ( 靖 size=1^﨏) et celle des fibres.

En suivant la même analyse, un angle plus important produira une rupture par cisaillement parallèlement aux fibres; on peut donc écrire:

où 精^u est la résistance du composite à la rupture en cisaillement.

Avec une valeur de 﨏 encore plus importante, la matrice se fissure à cause des contraintes de traction normales aux fibres et:

où 靖^m est la résistance à la rupture de la matrice.

La figure 2 montre qu’un matériau composite unidirectionnel est très anisotrope; elle confirme que les équations 9, 10 et 11 correspondent aux résultats expérimentaux obtenus sur du carbone-résine. Un modèle de rupture plus développé que celui des contraintes maximales conduit à la relation entre la résistance du matériau et l’angle 﨏:

Certaines structures, par exemple, celles des machines tournant à grande vitesse, pour lesquelles les contraintes centrifuges prédominent, peuvent incorporer un matériau composite unidirectionnel puisqu’elles sont soumises à des charges appliquées dans une seule direction. Cependant, dans la majorité des cas, les charges subies par une structure sont multidirectionnelles et l’anisotropie est un inconvénient. Le recours habituel consiste à faire appel à des renforcements pluridirectionnels.

Renforcements pluridirectionnels

Des couches de composites unidirectionnels peuvent être empilées les unes sur les autres selon plusieurs orientations, pour produire un matériau composite à renforts croisés. L’importance de l’anisotropie d’un composite croisé ayant des fibres rangées orthogonalement est diminuée par rapport à celle d’un composite unidirectionnel. L’anisotropie est encore diminuée si les fibres sont rangées à 45⁰ les unes par rapport aux autres.

L’analyse des contraintes dans ces matériaux stratifiés peut être faite en considérant que chaque couche est un milieu continu et anisotrope, et en tenant compte de l’influence de l’adhésion entre les couches. Pour cela, les équations de la mécanique des milieux élastiques peuvent être employées en prenant en compte les variables associées à des matériaux orthotropes de faible épaisseur (quelques millimètres). Ces variables sont les modules de Young dans les directions parallèle et normale aux fibres, les déformations et contraintes produites dans ces sens, les coefficients de Poisson observés quand le matériau est chargé dans ces deux directions et les contraintes de cisaillement.

Les matériaux composites ne sont pas toujours constitués de fibres continues rangées dans des directions préférentielles. Les S.M.C. (sheet moulded compound ) constituent une classe de matériaux composites qui montrent des fibres courtes rangées d’une façon aléatoire; ces matériaux sont sensiblement isotropes dans le plan.

2. Renforcement par fibres courtes

Fibre et matrice élastiques

La figure 3 montre une fibre courte noyée dans une matrice plus extensible qu’elle. Sans la présence de la fibre, une charge appliquée provoquerait un déplacement uniforme V de la matrice. La fibre, à laquelle la matrice adhère, empêche le déplacement de la matrice dans son voisinage immédiat, mais, au fur et à mesure que l’on s’éloigne de la fibre, l’influence de cette dernière diminue et le déplacement de la matrice se rapproche de celui qui aurait été atteint sans fibre. Alors, au lieu d’avoir un déplacement uniforme, la matrice est cisaillée; ce cisaillement «tire» sur le renfort et produit un transfert de charge de la matrice vers la fibre. La charge P générée dans la fibre produit un déplacement U; ce phénomène peut être décrit par l’équation:

où H est une constante.

Considérons le cas d’une fibre élastique noyée dans une matrice élastique; nous pouvons donc également écrire:

où A^f est la section de la fibre, x la distance le long de la fibre, d U/dx la déformation de la fibre au point x . Puisque la déformation de la matrice non renforcée a une valeur unique:

on obtient, à partir des équations 13, 14 et 15, la relation:

qui peut être résolue par la substitution:

En supposant que P = 0 quand x = 0 et x = 1, la contrainte dans la fibre au point x est donnée par:

Cette dernière relation montre que la charge supportée par la fibre augmente à partir de chaque extrémité et atteint un maximum au centre de la fibre, à une distance x = 1/2. Pour que la fibre puisse subir la même déformation que le composite entier et que e = 靖^x /E^f , la fonction entre crochets de l’équation 17 doit être égale à 1, ce qui n’est possible que si la fibre est continue. Un composite à fibres courtes ne peut donc jamais être aussi efficace qu’un composite à fibres longues ou continues, car la charge moyenne supportée par les fibres courtes est forcément inférieure à celle qui s’exerce sur des fibres continues.

De plus, l’analyse mathématique a montré que le cisaillement au voisinage de la fibre atteint un maximum au bout de la fibre courte et s’annule au centre. Le champ de contrainte de cisaillement est donné par:

où r est la distance radiale de l’axe de la fibre, r ⁰ le rayon de la fibre et r ¹ la valeur de r pour laquelle le déplacement de la matrice égale V.

Il est possible de montrer que la constante 廓 est donnée par:

et que plus G^m /E^f est grand, plus le taux de croissance de la charge P de chaque bout de la fibre est important.

Fibre élastique et matrice plastique

Dans le cas d’une fibre élastique noyée dans une matrice plastique, on peut écrire:

cette relation décrit tout simplement l’équilibre des efforts dans la matrice et dans la fibre. En supposant que la matrice a atteint sa limite d’élasticité en cisaillement ( 精^y ), on a alors:

et donc:

La contrainte supportée par la fibre augmente donc d’une façon linéaire depuis chaque extrémité et atteint celle qui est appliquée au composite, 靖 size=1^秊, comme le montre la figure 4. Il existe alors une contrainte maximale 靖^max, qui peut être subie au point central de la fibre, et qui dépend de la longueur de la fibre, de la qualité de l’adhésion fibre-matrice, du module de Young de la fibre et du module de cisaillement de la matrice. Si 靖^max est inférieure à la contrainte à la rupture de la fibre, cette dernière ne se rompra pas lors de la cassure du composite: pour qu’il y ait rupture et séparation en deux morceaux du composite, la fibre doit être «déchaussée» de la matrice. Il existe une condition critique où 靖^max égale 靖^fu , la contrainte à la rupture de la fibre, et nous pouvons réécrire l’équation 21 en introduisant une longueur critique de fibre 2l ^c :

Une fibre de longueur 2 l ^c possédant une résistance uniforme sur toute sa longueur se rompra au point central. La ténacité d’un matériau composite est maximale si les renforts ont la longueur critique. À partir de l’équation 21 , nous voyons que:

Cela définit un rapport géométrique qui explique comment des fibres très courtes, par exemple les trichites, de l’ordre d’un millimètre, pourraient remplir le rôle de renfort à condition que leur diamètre soit suffisamment petit, de l’ordre de quelques micromètres.

Le transfert de charge par le cisaillement de la matrice, si important pour le renforcement par les fibres courtes, joue un rôle important lorsqu’une fibre continue se rompt. Au lieu de cesser de supporter la charge sur toute sa longueur, ce qui serait le cas en l’absence d’un lien avec la matrice, la rupture est isolée sur une petite partie de la fibre. Le cisaillement autour de la rupture produit un transfert de charge, donc une augmentation de la charge à partir des bouts rompus; à une distance l ^c de la rupture, la fibre supporte la même contrainte qu’elle supportait avant la rupture. La résistance d’une fibre n’est pas uniforme sur toute sa longueur mais dépend de la distribution des défauts dans sa structure, et elle ne se rompra pas forcément une deuxième fois sous la contrainte imposée. Pourtant, si la charge appliquée est augmentée, la fibre peut se rompre à un deuxième endroit et il est en principe possible d’assister à des ruptures multiples de la fibre.

3. Rupture des composites

La famille des composites comprend une grande variété de matériaux ayant des structures différentes. Il n’y a donc pas une cinétique unique de rupture et il existe au moins deux approches analytiques qui tentent de décrire la défaillance des composites. Dans la première approche, la défaillance du matériau composite est considérée d’une façon analogue à celle des milieux continus, qui se cassent pour une certaine contrainte appliquée, par propagation d’une fissure amorcée à cause d’une irrégularité dans la structure. Dans un milieu élastique, il est possible de trouver un rapport entre la contrainte à la rupture du matériau 靖^r , son module de Young E, l’énergie par unité de surface nécessaire pour ouvrir la fissure lors de sa propagation S, et la taille du défaut en forme de crique a . Si nous négligeons les effets de bords et supposons une épaisseur faible, cette relation est:

L’énergie absorbée pour faire se propager la fissure est donc :

il est possible de définir un facteur K^c , fonction de la ténacité à la rupture:

Ces équations sont souvent appliquées aux matériaux composites, mais avec moins de confiance que dans le cas des matériaux homogènes, car la structure hétérogène de ces composites mène souvent à une défaillance plus complexe qu’une simple fissuration. L’énergie de rupture peut être dissipée dans un composite par divers mécanismes: la rupture de la matrice; la rupture des fibres; la rupture de l’adhésion fibre-matrice; l’énergie élastique relachée après la rupture de l’interface fibre-matrice; le déchaussement des fibres de la matrice; le cisaillement des fibres qui ne sont pas alignées normalement à une fissure.

Ces mécanismes rendent difficile une description de la défaillance générale, d’autant plus qu’ils jouent des rôles plus ou moins importants dans les différents composites. De plus, l’analyse ci-dessus, fondée sur la mécanique linéaire de la rupture, est inutilisable si les fissures peuvent être bloquées par des fibres, ce qui est souvent le cas quand la fissure majeure est normale aux fibres. Ce phénomène explique pourquoi les matériaux composites à fibres possèdent de si bonnes propriétés en sollicitation cyclique, c’est-à-dire en fatigue. Si la résistance d’un matériau est anisotrope, ce qui est souvent le cas d’un composite, il est possible qu’une deuxième fissure apparaisse normalement à la première et bloque sa propagation. Il est évident qu’une faible interface fibre-matrice produirait un matériau ayant une bonne résistance à la fissuration et une haute ténacité à la rupture. L’interface ne doit pas être trop faible pour ne pas compromettre l’intégrité de la structure, ni sa résistance au cisaillement. En tout cas, un tel matériau aurait l’avantage d’absorber plus d’énergie, lors de sa rupture, par le déchaussement des fibres (fig. 5).

Une autre approche de la rupture tient compte des rôles des constituants du composite et de leurs propriétés individuelles. Cette approche est surtout applicable aux matériaux pour lesquels il faut faire rompre des fibres pour casser le composite, ce qui est le cas d’un composite unidirectionnel et de certaines autres structures fabriquées par enroulement filamentaire. Dans ce modèle, le composite comprend un faisceau de fibres, et le seul rôle de l’interface est d’isoler les ruptures des fibres par transfert de charge sur le cisaillement de la matrice. Normalement, quand une fibre se rompt dans un faisceau, la charge qu’elle supportait est transférée aux autres fibres intactes sur toute leur longueur. La probabilité pour qu’une deuxième fibre se rompe est alors augmentée, mais si une seconde rupture a lieu, sa localisation dépend uniquement de la distribution des défauts à la surface de la fibre, et non pas de la position de la première rupture. À cause de l’isolement des ruptures des fibres dans un composite, l’effet d’une rupture est restreint à une section. Il est donc possible de comparer un composite unidirectionnel à une chaîne dont chaque maillon serait un faisceau de fibres. Chaque fibre peut casser plusieurs fois à des endroits suffisamment éloignés pour être dans des maillons différents. La rupture du composite se produit quand un des maillons accumule assez d’endommagements pour se casser.

4. Fibres et matrices

La résistance, la rigidité et la légèreté sont souvent les propriétés recherchées pour un matériau composite et ces matériaux sont fréquemment caractérisés par leurs propriétés spécifiques, c’est-à-dire leurs propriétés mécaniques par rapport à leur densité. On peut donc parler de la résistance spécifique et du module spécifique. La résistance et le module d’un matériau dépendent, au fond, des liaisons interatomiques, qui sont déterminées par les électrons de valence et non par les noyaux des atomes: un élément peut être léger mais résistant et rigide. On peut donc trouver parmi les éléments légers du tableau de Mendeleïev des éléments qui possèdent ces caractéristiques et qui peuvent être formés en fibres.

Le premier élément solide qui pourrait nous intéresser est le béryllium, qui occupe la quatrième place dans le tableau de Mendeleïev; cependant, il est trop fragile et, de plus, toxique. Les cinquième et sixième éléments, le bore et le carbone, peuvent en revanche être formés en fibres de très haute performance.

Le bore est dur, fragile et ne peut pas être étiré. La fabrication des fibres de bore se fait par dépôt en phase vapeur du bore sur un filament de tungstène porté à une température d’environ 1 200 ⁰C. Le fil de tungstène, d’un diamètre de 13 micromètres environ est tiré à travers une chambre à gaz contenant de l’hydrogène et du trichlorure de bore; simultanément, le fil est chauffé par effet Joule. Le bore est déposé sur le tungstène et, pendant les deux minutes environ que dure le séjour du fil dans la chambre à gaz, des nodules de bore croissent pour produire une fibre continue, habituellement de 140 micromètres de diamètre. Parfois, pour éviter l’endommagement de la fibre lors de la fabrication des composites à matrice métallique, les fibres de bore sont, lors d’une dernière étape, revêtues avec du carbure de bore B⁴C ou du carbure de silicium SiC. Les propriétés des fibres de bore sont exposées dans le tableau.

Les fibres céramiques à base de SiC sont fabriquées par la conversion de fibres précurseurs organométalliques d’une façon analogue à la fabrication des fibres de carbone à partir de fibres de polyacrylonitrile (P.A.N.; cf. infra ). La technique la plus connue emploie un polymère du type polycarbosilane. Les fibres à base d’alumine sont fabriquées en utilisant de la poudre d’Al²³ et un liant, pour produire un filament qui est par la suite soumis au frittage.

La fibre de carbone a révolutionné l’industrie aérospatiale et permis de trouver un nombre croissant d’applications dans des secteurs moins en pointe. D’une certaine façon, les fibres de carbone sont les plus anciennes des fibres synthétiques, car les filaments des premières ampoules électriques étaient élaborés par carbonisation de fibres de coton. Les fibres modernes sont fabriquées à partir de fibres de P.A.N. qui, comme toute fibre organique, ont une structure fondée sur des chaînes d’atomes de carbone. La fibre organique est chauffée dans l’air à 250 ⁰C environ, ce qui crée des liaisons entre les macromolécules unidirectionnelles qui constituent sa structure et qui ont préalablement été alignéet parallèlement à l’axe de la fibre par étirage. Entre 300 ⁰C et 550 ⁰C dans une atmosphère inerte, les atomes d’oxygène, d’hydrogène et d’azote sont expulsés; au-delà de 500 ⁰C, une pyrolyse se produit. Les propriétés finales de la fibre dépendent de la température de pyrolyse, ce qui laisse la possibilité d’avoir plusieurs types de fibres de carbone, comme le montre le tableau. La résistance à la rupture de la fibre passe par un maximum autour de 1 500 ⁰C, tandis que le module de Young augmente avec la température. La fibre finale a un diamètre de 5 à 7 micromètres. La production des fibres de carbone à partir du brai, un résidu du raffinage du pétrole ou du cokage du charbon, constitue une voie prometteuse. Le contenu en carbone du brai, qui est de 90 p. 100 environ alors que le P.A.N. n’en contient que 45 p. 100, offre la possibilité d’une fabrication de fibres de carbone plus efficaces et moins chères. Pourtant, ce type de fibres de carbone est actuellement surtout utilisé en forme à très hauts modules, jusqu’à 800 gigapascals, et à prix élevé, pour des applications spatiales.

Le verre résine est le plus répandu des matériaux composites et il domine certaines industries, par exemple celle de la construction des bateaux de plaisance ou des réservoirs de produits chimiques. Les fibres de verre sont produites par étirage de verre fondu à travers une filière; la structure chimique peut être modifiée pour donner divers types de verres ayant des propriétés chimiques et physiques différentes. Les fibres sont fabriquées dans une gamme de diamètres habituellement compris entre 5 et 25 micromètres et à grande vitesse, de l’ordre de 250 mètres par seconde. Les fibres sont revêtues par un apprêt de protection lors d’une opération dite d’ensimage. Comme le montre le tableau, les fibres de verre ont l’inconvénient de posséder un module spécifique relativement bas.

Les fibres aramides appartiennent aux fibres organiques polyamides aromatiques et leur structure leur confère des propriétés remarquables (cf. tableau). Ces fibres possèdent les caractéristiques des fibres textiles; elles sont souples et tenaces, mais ont un module de Young dix fois supérieur. Elles ont normalement un diamètre de 13 micromètres et leur structure est très orientée, ce qui les rend très anisotropes; malgré leur haute résistance mécanique en traction, elles résistent mal en compression et dans le sens normal à l’axe de la fibre.

Les quatre fibres synthétiques mentionnées ci-dessus sont fabriquées en forme continue et peuvent être noyées dans divers types de matrices (cf. tableau). La résine la plus utilisée est une résine de polyester ; ce type de résine présente cependant souvent des inconvénients de fragilité et de retrait lors de la polymérisation. Les résines époxydes sont souvent employées pour les composites à haute performance. D’autres résines qui montrent une bonne tenue en température sont les polyimides; elles peuvent être utilisées jusqu’à 300 ⁰C, ce qui est également le cas des résines phénoliques. Les résines citées ci-dessus sont d’origine organique; il existe un type de résine inorganique qui pourrait être utile: fondées sur la chaîne polymérique O 漣Si 漣O, ces résines silicones sont résistantes à l’eau et à l’oxydation, mais elles ont des propriétés mécaniques qui sont plus faibles que celles des résines époxydes.

D’autres matrices possibles sont les alliages d’aluminium et de titane, mais seules les fibres de bore peuvent être noyées sans problème dans ces matrices métalliques. Les fibres de carbone peuvent être placées dans ces matrices métalliques, mais avec difficulté; de plus, il y a un risque de corrosion en présence d’humidité, par effet voltaïque.

Il existe une grande variété de fibres pouvant être utilisées comme renfort et également d’autres matrices. Par exemple, pour des applications à haute température, les fibres de carbone peuvent être enrobées dans une matrice de carbone. Ces composites carbone-carbone peuvent supporter des températures atteignant 3 000 ⁰C environ; elles sont utilisées à la sortie de la chambre de combustion des moteurs-fusées ou pour la fabrication de plaquettes de frein à hautes performances. Ce composite peut être également utilisé pour des prothèses en raison de la biocompatibilité du carbone.

Les années quatre-vingt ont vu le développement des composites à matrice fragile . Ces matrices sont constituées par certains types de verre et de céramique, et elles sont renforcées par des fibres de faible diamètre, elles-mêmes composées de céramique ou de carbone. L’intérêt de ces composites réside dans leur potentiel d’utilisation comme matériaux structuraux à haute température. Les verres et les céramiques résistent bien à la température, mais ils sont trop fragiles pour jouer le rôle d’un matériau structural; pourtant, s’ils sont renforcés par des fibres, leur ténacité, ou résistance au choc, peut être largement améliorée. L’avantage de ce type de composite dépend d’un autre phénomène que ceux qui sont décrits ci-dessus pour les composites à matrice plastique. La présence des interfaces entre ces fibres et la matrice constitue un obstacle à la propagation de fissures dans la matrice. Ce fait, couplé avec la nécessité de faire rompre puis de faire déchausser les fibres de la matrice, rend ce type de matériau plus résistant à la fissuration et au choc que la matrice seule. Ces composites sont conçus pour être utilisés à des températures dépassant 1 000 ⁰C.

5. Fabrication des matériaux composites à matrice organique

Il existe plusieurs procédés pour placer des fibres dans une matrice, et la technique employée dépend du type de fibre, de la matrice et de la structure à construire. Les fibres continues peuvent être alignées pour former des nappes de fibres; elles sont ensuite imprégnées par de la résine non polymérisée. Ce produit est qualifié de préimprégné et il peut être empilé pour fabriquer des plaques. L’ensemble est chauffé pour produire la réticulation de la résine et mis sous pression dans un autoclave ou dans un moule pour obtenir la compaction du matériau. Les fibres continues peuvent également être bobinées sur un mandrin après passage dans un bain de résine. Le mandrin détermine la forme finale de la structure et il doit pouvoir être enlevé. Cette technique d’enroulement filamentaire est utilisée pour la fabrication de tubes et de réservoirs. Les fibres continues peuvent être tirées à travers une filière et en même temps imprégnées par la résine pour produire des profilés. Cette technique, appelée «pultrusion», produit des structures anisotropes, mais un profilé en forme de tube peut être renforcé par la suite par un bobinage circonférentiel. Les fibres coupées peuvent être mélangées à une résine puis l’ensemble peut être formé dans un moule. Des fibres coupées peuvent également être injectées avec un thermoplastique fondu dans un moule. Cette technique de moulage par injection se prête à la fabrication en grande série parce qu’elle est rapide. Une variante de cette technique est le moulage par injection à froid de deux polymères liquides contenant des fibres (reinforced reaction injection molding ou R.R.I.M.). Les deux polymères sont rapidement mélangés, ce qui produit une réaction exothermique, et la réticulation du polymère, généralement un polyuréthane.

6. Applications

Les matériaux composites à fibres permettent la fabrication de structures pour lesquelles les matériaux traditionnels ne conviennent pas, ou ne sont pas aussi efficaces. Les composites ont connu un essor remarquable dans l’industrie aérospatiale, où leurs hautes propriétés spécifiques ont été employées dans plusieurs parties des structures des aéronefs (ailes, fuselage, dérive, ailerons, planchers, pales d’hélicoptère, etc.) et dans la structure des fusées, y compris les moteurs, et des satellites.

Les composites sont utilisés de plus en plus fréquemment sur terre. Les bateaux de plaisance sont construits en verre résine, ainsi que les réservoirs pour le stockage des produits chimiques, des tuyaux pour le transport de ces produits. Des industries de grande série comme celle de l’automobile s’ouvriront probablement de plus en plus aux composites. Les composites trouvent des applications biomédicales sous forme de prothèses grâce à leur biocompatibilité et à la possibilité d’obtenir des propriétés mécaniques bien adaptées au corps humain. La liste d’applications s’allonge sans cesse et les matériaux composites deviennent de plus en plus présents dans la vie quotidienne.

Encyclopédie Universelle. 2012.