Définitions et intérêts des composites

Un matériau composite est obtenu par l’association d’au moins deux matériaux non miscibles :

Composite = renfort + matrice

Le renfort : comme son nom l’indique, le renfort assure la tenue mécanique du matériau. Organique ou inorganique, il se présente sous différentes formes (fibres, fibrilles, billes, particules…) selon les propriétés que l’on souhaite apporter au matériau.
La matrice : elle sert à lier les fibres renforts et à répartir les efforts (résistance à la compression ou à la flexion). C'est un polymère ou une résine organique. On conçoit un composite en fonction du type d'application auquel il est destiné, ce qui le différencie des matériaux classiques pour lesquels on adapte la conception du produit. Ainsi, la structure d’un composite sera fonction de :

• la nature et la forme du renfort,
• le taux de renfort,
• la nature de la résine et des charges ou additifs,
• la qualité de l'interface renfort-matrice,
• la géométrie de la pièce à réaliser,
• le procédé de mise en œuvre utilisé.

On cherchera toujours à orienter au mieux les renforts en fonction des efforts auxquels la structure sera soumise.

Avantage des matériaux composites :

• grande résistance à la fatigue,
• durée de vie longue, vieillissement faible sous l'action de l'humidité, de la chaleur,
• résistance à la corrosion,
• Inertie aux produits chimiques comme les graisses, huiles, liquides hydrauliques, peintures, solvants, pétrole.

On distingue deux types de matériaux composites : les composites grande diffusion et les composites haute performance. Les composites grande diffusion représentent 95% des composites utilisés. Ce sont en général des plastiques renforcés par des fibres courtes, le taux de renfort avoisinant 30%. Dans plus de 95% des cas, ce sont des résines polyesters renforcées par des fibres de verre. Les composites haute performance, beaucoup plus chers, sont principalement utilisés dans l'aéronautique. Les renforts sont alors plutôt des fibres longues et le taux de renfort est supérieur à 50%. Leurs propriétés mécaniques (résistance mécanique et rigidité) sont largement supérieures à celles des métaux, d’où leur intérêt.  

Principaux matériaux de renfort :

	Renfort
Organique			Inorganique
			Céramiques Métalliques
Carbone graphite (Fibres de carbone, Noir de carbone) Cellulose (bois, papier, coton, lin, jute…) Polyamides Polyesters Aramides (kevlar)			Carbures Nitrures Argile Carbonate de calcium (CaCO3) Oxydes métalliques Silice (fibres de verres)

Les renforts peuvent être sous différentes formes : fibres constituées par plusieurs centaines voire milliers de filaments de diamètres variant de 5 à 15 mm, fils coupés, particules, billes, écailles, fibrilles, whiskers (monocristaux de 1 à 50 mm de diamètre et de 1 à 5 cm de longueur, en Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, MgO, TiO₂, BeO, SiC, graphite, fer)…

Les différentes familles de matrice  polymère :

		MATRICE
		Organique
Thermodurcissables		Thermoplastiques		Elastomères

Comparaison des matrices thermoplastiques et thermodurcissables :

Les différentes structures des matériaux composites :

Monocouches : les monocouches représentent l'élément de base de la structure composite. Les différents types de monocouches sont caractérisés par la forme du renfort : à fibres longues (unidirectionnelles ou réparties aléatoirement), à fibres tissées, à fibres courtes.

Stratifiés: un stratifié est constitué d'un empilement de monocouches. Le choix du nombre de couches et de l’orientation des couches les unes par rapport aux autres permet d’obtenir des propriétés mécaniques spécifiques.

Sandwichs: matériaux composés de deux peaux (ou semelles) de faible épaisseur et de grande rigidité autour d’un cœur (ou âme) de forte épaisseur et de faible résistance. L'ensemble forme une structure " sandwich " d'une grande légèreté, très résistante en flexion, et bon isolant thermique.

Mise en œuvre, procédés :

Trois opérations sont indispensables :

1. l’imprégnation du renfort par la résine,
2. la mise en forme à la géométrie de la pièce,
3. le durcissement :
• soit par polycondensation et réticulation pour les matrices thermodurcissables,
• soit par simple refroidissement pour les matières thermoplastiques.

Il existe différentes techniques de mis en œuvre des composites mais la plus utilisée est le moulage.

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