De nombreuses industries sont actuellement confrontées à un problème commun : elles ont besoin de matériaux à la fois solides et flexibles, mais légers. Les matériaux composites peuvent résoudre ce problème. Ils peuvent combiner les atouts de différents matériaux pour obtenir des résultats meilleurs et plus efficaces. Les matériaux composites sont largement utilisés dans des secteurs tels que l'aérospatiale, la fabrication automobile et la construction. Qu'est-ce qu'un matériau composite ?

Ces matériaux sont formés en mélangeant deux ou plusieurs substances distinctes, chacune possédant ses propres caractéristiques physiques ou chimiques uniques. Par conséquent, lorsqu'elles sont jointes, elles créent un nouveau matériau aux caractéristiques améliorées. Par conséquent, ce nouveau matériau peut être plus solide, plus léger ou plus résistant aux forces que les substances d'origine.

Vous êtes curieux d'en savoir plus sur les matériaux composites et leurs types ? Découvrons ce qui rend ces matériaux uniques et comment ils sont utilisés dans divers secteurs.

Qu'est-ce qu'un matériau composite ?

Pour créer un matériau composite, les ingénieurs combinent deux matériaux différents, chacun doté de propriétés uniques. Cette combinaison donne naissance à un nouveau matériau dont les caractéristiques ne se retrouvent pas dans les matériaux d'origine. Ils conçoivent ce nouveau matériau pour qu'il remplisse des fonctions spécifiques, comme être plus résistant, plus léger ou résistant à l'électricité. De plus, les matériaux composites peuvent améliorer à la fois la résistance et la rigidité.

Brève histoire des matériaux composites

Les matériaux composites ont commencé à être utilisés il y a de nombreuses années. Dès 3400 av. J.-C., les Mésopotamiens ont fabriqué les premiers matériaux composites artificiels. Ils collaient de fines pièces de bois ensemble sous différents angles pour obtenir un contreplaqué plus résistant. Plus tard, vers 2181 av. J.-C., les anciens Égyptiens fabriquaient des masques mortuaires. Ils utilisaient du lin ou du papyrus et le recouvraient de plâtre. Les deux sociétés ajoutaient également de la paille pour renforcer d'autres matériaux, tels que des briques de terre, de la poterie et des bateaux.

Vers 1200 après J.-C., les Mongols ont créé un puissant arc à poulies. Pour le fabriquer, ils ont combiné plusieurs matériaux, dont du bois, du tendon, de la corne, du bambou, de l'os et de la soie. Ils ont utilisé de la térébenthine comme colle pour maintenir toutes les pièces ensemble, ce qui a donné naissance à une arme très efficace.

Progrès modernes dans le domaine des composites

Après la révolution industrielle, les résines synthétiques sont devenues solides grâce au processus de polymérisation, ce qui a conduit à la production de divers plastiques au 20e siècle. Leo Baekeland a inventé la résine phénolique, très appréciée pour ses propriétés non conductrices et résistantes à la chaleur. Dans les années 1930, Owens Corning a introduit les fibres de verre et a été le pionnier de l'industrie des FRP (polymères renforcés de fibres). Les résines fabriquées à cette époque ont connu un développement important et sont encore utilisées aujourd'hui. Deux ans plus tard, un système de résine plus résistant est apparu.

L’impact durable des composites

La fibre de carbone a été brevetée en 1961 et a progressivement gagné en popularité dans les applications commerciales. Au milieu des années 1990, les matériaux composites ont gagné en popularité dans des secteurs tels que la fabrication et la construction. Ils sont moins chers et plus résistants que les anciens matériaux. L'utilisation de composites dans le Boeing 787 Dreamliner au milieu des années 2000 a encore démontré leur valeur. Elle montre leur importance pour les applications qui nécessitent une résistance élevée, ce qui en fait une nécessité pour les applications modernes.

De quoi sont faits les composites ?

Les composites sont également appelés composites en polymère renforcé de fibres (FRP). Les fabricants les créent à partir d'une matrice polymère. Ils renforcent cette matrice avec des fibres techniques, synthétiques ou naturelles, qui peuvent inclure des matériaux comme le verre, le carbone ou l'aramide. De plus, ils peuvent utiliser d'autres matériaux pour améliorer la résistance du composite.

La matrice joue un rôle important. Elle protège les fibres des agressions extérieures et autres influences extérieures, tout en facilitant le transfert de charge entre elles. D'autre part, les fibres confèrent résistance et rigidité. Elles aident à soutenir la matrice et lui permettent de résister aux fissures et aux cassures.

Dans de nombreux produits de notre industrie, les fabricants composent souvent la matrice de résine polyester et utilisent généralement de la fibre de verre comme matériau de renforcement. Néanmoins, ils peuvent créer des composites en utilisant diverses combinaisons de résine et de renfort, chaque association influençant de manière unique les caractéristiques et propriétés distinctes du produit final. Bien que la fibre soit solide, elle a tendance à se casser facilement, ce qui lui confère résistance et rigidité. Pendant ce temps, la résine flexible moule et protège la fibre.

Les composites FRP peuvent également contenir des charges, des additifs et des matériaux de base. Ils peuvent même avoir des finitions de surface. Ces ajouts sont utilisés pour améliorer le processus de production. Ils améliorent également l'apparence du produit et augmentent ses performances.

Principales propriétés des matériaux composites

Les matériaux composites ont de nombreuses propriétés particulières. Grâce à ces caractéristiques, ils sont très polyvalents et fonctionnent bien même dans des utilisations difficiles et exigeantes. Ces caractéristiques importantes ont un grand impact sur leur efficacité. Voyons maintenant les différentes propriétés qui sont très utiles lors de la fabrication de produits.

Force

Les composites sont reconnus pour être plus résistants que les matériaux individuels qui les composent. Par conséquent, ils augmentent la résistance et rendent les structures plus robustes. Par conséquent, les matériaux composites constituent une excellente option pour les applications nécessitant la capacité de supporter de lourdes charges.

Durabilité

Les matériaux composites peuvent être utilisés dans des conditions climatiques difficiles ou dans des environnements qui provoquent de la corrosion. Ils résistent également bien aux contraintes répétées telles que les chocs et les vibrations. Ils sont donc idéaux pour une utilisation dans les engins spatiaux, les voitures et les avions.

Résistance aux chocs

Les fabricants conçoivent ces matériaux pour résister aux impacts et répartir la force sans subir de dommages. Cette capacité est cruciale, en particulier dans les applications où un impact est probable. Par conséquent, leur capacité à résister aux dommages causés par les collisions ou les coups les rend indispensables pour les structures de protection contre les collisions.

résistance chimique

Les composites sont capables de résister aux dommages causés par des produits chimiques puissants ou des environnements difficiles. Ils sont donc idéaux pour créer des revêtements résistants aux produits chimiques. Ils sont également utilisés dans les équipements qui manipulent des produits chimiques.

Flexibilité

Les composites sont très flexibles et peuvent se plier ou changer de forme sans se casser. Ils peuvent également être conçus pour se plier de manière spécifique, en fonction de leur utilisation prévue. Cela les rend parfaits pour la fabrication de membres prothétiques. De plus, leur nature flexible offre aux ingénieurs de meilleurs choix pour les objets confrontés à des charges mobiles ou à des vibrations.

Légèreté

Ces matériaux ont des propriétés solides mais ne sont pas lourds. Ils permettent de produire des pièces et des structures légères. Leur résistance par rapport à leur poids est une qualité importante dans les industries où la réduction du poids est très importante.

Stabilité thermique

Les matériaux composites peuvent conserver leur forme lorsqu'ils sont exposés à une chaleur élevée. La capacité à rester solide à des températures élevées est très importante. Cela est nécessaire pour les utilisations confrontées à des conditions de chaleur très élevées.

Conductivité électrique

Les composites peuvent avoir de très bonnes propriétés électriques. Ils peuvent être conçus pour agir comme de bons isolants ou pour bien conduire l'électricité.

Isolation sonore

Les matériaux composites sont spéciaux car ils peuvent réduire ou empêcher le passage du bruit. Cette propriété de blocage du son les rend parfaits pour l'insonorisation.

Les 3 principaux avantages du composite Matériel

Les composites sont souvent utilisés dans les objets du quotidien. On les retrouve dans les voitures, les équipements de golf et même dans les tuyaux. Ils sont également très importants pour les machines avancées comme les fusées. En raison de leurs propriétés particulières, ils offrent plus d'avantages que les matériaux traditionnels. Les ingénieurs, les concepteurs et les architectes préfèrent utiliser des composites, en particulier dans les situations difficiles où une résistance élevée ou une résistance à la chaleur est importante.

Rentabilité

Les composites sont plus économiques que les matériaux classiques comme le bois et le métal. En plus d'être moins chers, ils offrent également une meilleure fonctionnalité. De plus, les composites sont plus respectueux de l'environnement, car ils génèrent moins de déchets lors de leur production et de leur utilisation.

Réduction du temps et des efforts de production

L'utilisation de matériaux composites dans le processus de production permet de réduire le temps nécessaire à la fabrication des produits. Elle diminue également la quantité de travail nécessaire pour assembler différents matériaux traditionnels.

Polyvalence du design

L'un des principaux avantages des matériaux composites est leur flexibilité de conception. Les ingénieurs peuvent leur donner toutes les formes dont ils ont besoin. Cela leur permet de créer des pièces et des composants complexes avec ces matériaux.

Types de composites

Après avoir découvert les avantages généraux des composites, explorons maintenant les différents types de composites.

Matériaux composites naturels

Type composite	Renforcement	Matrice	Exemple d'utilisation
Le bois	Fibres de cellulose	Lignine (polymères organiques à base de carbone)	Matériaux de construction, fabrication de meubles, etc.
Greffe Osseuse	Fibres de collagène	Hydroxyapatite (minéral cristallin à base de calcium)	Soutien structurel au sein des organismes vivants
Béton/Brique	Pailles	Boue ou argile	Construction de bâtiments, d'infrastructures comme des murs, etc.

Matériaux composites classiques

Dans les années 1930, le premier matériau composite moderne, la fibre de verre, est apparu. Il est également connu sous le nom de plastique renforcé de fibres de verre (PRFV ou PRV). Avec le développement, le PRV se présente généralement sous la forme de ruban adhésif, collé au moule pour l'utilisation, de sangles en plastique comme substrat pour soutenir la fibre de verre. La fibre de verre contribue à renforcer le matériau. Les plastiques renforcés de fibres de carbone (PRC ou PRC) sont similaires au PRV, mais utilisent de la fibre de carbone.

• Plastique renforcé de fibre de verre (GRP)

Introduction de base

La fibre de verre est le premier matériau composite moderne. Initialement orthographié « fiberglas », il est aujourd’hui communément appelé plastique renforcé de fibres de verre (PRV). Ce matériau est né dans les années 1930.

Forme et composition

Aujourd'hui, les fabricants proposent souvent de la fibre de verre sous forme de bandes que les utilisateurs peuvent appliquer sur la surface d'un moule. La bande de support en plastique agit comme une matrice, maintenant les fibres de verre en place. Cependant, ce sont les fibres de verre qui fournissent la majeure partie de la résistance du matériau.

Propriétés matérielles

Le plastique est naturellement souple et flexible, tandis que le verre est solide mais cassant. Lorsqu'ils sont combinés, ils forment un matériau à la fois solide et durable. Ce matériau est idéal pour des applications telles que les carrosseries de voitures ou de bateaux. Contrairement aux métaux ou aux alliages, il est plus léger et résistant à la rouille.

• Plastique renforcé de fibres de carbone (CRFP ou CRP)

Se connecter au GRP

Il est similaire au GRP.

La différence

Il utilise des fibres de carbone au lieu de fibres de verre.

Composites modernes

Les composites modernes avancés sont généralement fabriqués à partir de matériaux tels que le métal, le plastique (polymère) ou la céramique. Il en résulte trois principaux types de composites : les composites à matrice métallique (MMC), les composites à matrice polymère (PMC) et les composites à matrice céramique (CMC).

Composites à matrice métallique (MMC)

Les fabricants composent la matrice du MMC à l'aide de métaux légers tels que des alliages d'aluminium ou de magnésium. En production, ils utilisent de la céramique ou des fibres de carbone pour la renforcer, comme l'aluminium renforcé au carbure de silicium et les alliages cuivre-nickel renforcés au graphène. Ces matériaux sont solides, durs, durables, résistants à la rouille et relativement légers. Cependant, leur coût élevé tend à limiter leur utilisation. Ils sont populaires dans les applications aérospatiales, militaires, automobiles et d'outils de coupe.

Composites à Matrice Céramique (CMC)

Les composites à matrice céramique (CMC) utilisent un matériau céramique, tel que le verre borosilicaté, comme matrice. Des fibres de carbone ou de céramique sont ajoutées pour renforcer la structure et réduire la fragilité des céramiques traditionnelles. Parmi les exemples de CMC, on peut citer le carbure de silicium renforcé par des fibres de carbone (C/SiC) et le carbure de silicium renforcé par du carbure de silicium (SiC/SiC).

À l’origine, les CMC ont été développés pour des applications aérospatiales et militaires où la légèreté et la résistance aux températures élevées étaient essentielles. Aujourd’hui, ils sont également utilisés dans les freins automobiles, les embrayages, les roulements, les échangeurs de chaleur et même les réacteurs nucléaires.

Composites à matrice polymère (PMC)

Les PMC comme le GRP sont différents. Dans les PMC, les fibres de céramique ou de carbone améliorent la résistance et la rigidité de la matrice plastique qui peut être thermoplastique ou thermodurcissable. En général, les PMC à base de thermodurcissables résistent mieux aux températures élevées et aux solvants, mais sont moins résistants et prennent plus de temps à fabriquer. Ils sont excellents pour la fabrication de pièces pour voitures, bateaux et avions. Les fabricants les utilisent largement dans la production d'équipements sportifs. L'industrie aérospatiale utilise couramment des PMC à base d'époxy (thermodurcissables), et l'importance des PMC à base de thermoplastique résistant aux hautes températures augmente également dans ce secteur.

Applications des matériaux composites

Les matériaux composites sont utilisés dans de nombreux secteurs industriels et ont de nombreuses applications. En voici quelques exemples :

• Industrie aerospatiale

L'utilisation de matériaux composites dans les avions s'est développée. Par exemple, le B787 est composé à 50 % de matériaux composites en poids, utilisant des structures en sandwich de carbone, des stratifiés CFRP et de la fibre de verre. Les matériaux composites sont préférés à l'aluminium pour leurs meilleures propriétés de résistance et de traction.

• Automobile

Les constructeurs utilisent des composites dans les véhicules de sport et électriques pour leurs propriétés de légèreté, qui améliorent les performances et prolongent l'autonomie de la batterie. Les pièces en CFRC peuvent réduire le poids du véhicule de 30 %. Le recyclage de la fibre de carbone permet d'économiser de l'énergie et de réduire les émissions.

• Marine

Les composites GF et CF sont largement utilisés dans la construction navale et les réparations marines. Ils ont supplanté les métaux traditionnels en raison de leur nature légère, de leur résistance exceptionnelle et de leur durabilité. Les fabricants préfèrent le GRP pour sa résistance aux environnements difficiles et ses faibles besoins en maintenance.

• Énergie éolienne

Les matériaux composites sont essentiels dans les pales d'éoliennes en raison de leur rapport résistance/poids élevé. Lorsque les anciennes éoliennes arrivent en fin de vie, le recyclage est crucial. Certains pays de l'UE interdisent la mise en décharge des pales composites, faisant pression pour de meilleures solutions de recyclage.

• Construction et infrastructure

Les composites avancés sont utilisés dans la construction de ponts et la modernisation de structures pour les rendre résistantes aux tremblements de terre. Les fibres de verre et de carbone sont courantes dans les résines. L'industrie recherche un recyclage durable pour gérer les gros déchets de matériaux en fin de vie.

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FAQs

• Qu'est-ce qui est le plus cher, les matériaux composites ou traditionnels ?

Le coût d'un matériau composite dépend des matériaux utilisés pour le fabriquer. Le type de processus de production et de matériaux peut parfois rendre les composites plus coûteux que les matériaux traditionnels. Cependant, les composites sont considérés comme rentables car ils offrent de meilleures performances, un poids plus léger et une plus grande durabilité.

• Quels sont les inconvénients des matériaux composites ?

Les matériaux composites présentent certes de nombreux avantages, mais aussi quelques inconvénients. Ils peuvent être difficiles à réparer et à entretenir, car les dommages sont souvent difficiles à détecter ou à réparer. La délamination, qui se produit lorsque les couches se séparent, est un autre problème courant. De plus, la production de composites pour des applications spécifiques peut être complexe et coûteuse. Leur résistance aux chocs est souvent inférieure à celle des matériaux traditionnels comme le métal, ce qui les rend moins adaptés à certains environnements à fortes contraintes.