Matériau composite
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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 (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...) face à une certaine utilisation (légèreté, rigidité à un effort, etc.), explique l'utilisation croissante des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) composites, dans différents secteurs industriels. Néanmoins, la description fine des composites reste complexe du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) mécanique (Dans le langage courant, la mécanique est le domaine des machines, moteurs, véhicules, organes (engrenages, poulies, courroies, vilebrequins, arbres de transmission, pistons, ...), bref,...).

Approche industrielle

Un 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...) est constitué d'une ossature appelée renfort qui assure la tenue mécanique et d'une protection appelée matrice qui est généralement une matière plastique (Une matière plastique ou en langage courant un plastique est un mélange contenant une matière de base (un polymère) qui est...) (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 (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) 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 (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle...) comme le spatial, le nucléaire (Le terme d'énergie nucléaire recouvre deux sens selon le contexte :) et le militaire, ainsi que le freinage (freins carbone)
  • les composites à matrices métalliques (CMM).

Les composites trouvent leurs principales applications dans le transport aérien (Le transport aérien est le secteur économique qui regroupe toutes les activités de transport en avion ou en hélicoptère.) (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 (L’acier est un alliage métallique utilisé dans les domaines de la construction métallique (voir aussi l’article sur la...) et leur faible masse volumique (Pour toute substance homogène, le rapport de la masse m correspondant à un volume V de cette substance est indépendante de la quantité choisie : c'est une caractéristique du matériau appelée masse...).

Historique

Le bois fut le premier matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de...) composite naturel utilisé, ensuite le torchis (Le Torchis est une technique de construction du type ossature-remplissage. Traditionnellement, l'ossature porteuse principale est constituée de solives bois, complétée par un clayonnage à base de bois, petits morceaux de bois de chataignier ou...) a été utilisé en construction pour ses propriétés d'isolation et de coût. Parmi les premiers composites fabriqués par l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par distinction,...) on trouve également les arcs Mongols (2000 ans av. J.-C.). Leur âme en bois était contrecollée de tendon (Les tendons sont des cordons fixés sur les parties du squelette offrant une prise aux muscles. De couleur blanche, et d'aspect plutôt large et épais, ils possèdent une forte résistance...) au dos (En anatomie, chez les animaux vertébrés parmi lesquels les humains, le dos est la partie du corps consistant en les vertèbres et les côtes. Les dorsaux étaient les muscles les...) et de corne sur sa face interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la fois en activité et en formation à l'hôpital ou en cabinet pendant une durée variable selon le "Diplôme...). Les sabres japonais traditionnels sont aussi un exemple de matériaux composites très ancien. Les forgerons nippons procédaient au pliage et au martèlement du métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins....) jusqu’à obtenir une sorte de pâte feuilletée pouvant être composée de plus de 4 000 couches. Le procédé de pliage était utilisé pour maîtriser précisément l'uniformité de l'acier ainsi que sa composition en carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.) tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en conférant à la lame ses propriétés de résistance et de souplesse.

  • 1823 : Charles Macintosh (Macintosh (prononcé /makintɔʃ/) ou Mac est une série de différentes familles d'ordinateurs personnels conçus, développés, et vendus par Apple. Le premier Macintosh, le...) créé l'imperméable avec du caoutchouc sur des tissus comme le coton.
  • 1892 : François Hennebique dépose le brevet du béton armé (Le béton armé est un matériau composite constitué de béton et d'acier qui allie la résistance à la compression du béton à la résistance à la traction de l'acier. Il est utilisé comme...).

Principaux composites

  • Les fibres de verre (Le verre, dans le langage courant, désigne un matériau ou un alliage dur, fragile (cassant) et transparent au rayonnement visible. Le plus souvent, le verre est constitué d’oxyde de silicium (silice SiO2) et de fondants, le...) sont utilisées notamment dans la fabrication de piscines.
  • Les fibres de carbone utilisées dans l'aviation (L'aviation est une activité aérienne définie par l'ensemble des acteurs, technologies et règlements qui permettent d'utiliser un aéronef dans un but particulier. Ces diverses...).
  • Le contreplaqué (Le contreplaqué et le lamibois sont la superposition de plaques de bois déroulées, Son épaisseur peut varier selon son utilisation, généralement de 1 à 50 mm.) utilisé en menuiserie, construction, ébénisterie.
  • Les cloisons de placoplâtre, très utilisé dans le bâtiment hors intempéries.
  • Le béton (Le béton est un matériau de construction composite fabriqué à partir de granulats naturels (sable, gravillons) ou artificiels...) et le béton armé en génie civil (Le Génie civil représente l'ensemble des techniques concernant les constructions civiles. Les ingénieurs civils s’occupent de la conception, de la réalisation, de...).
  • La fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) d'aramide (ou Kevlar qui est une dénomination commerciale) utilisée dans les protections balistiques gilets pare-balles

(Attention, les gilets pare-balles ne sont pas des composites ! Par contre, le kevlar qui les composent est bien utilisé en tant que fibre (Une fibre est une formation élémentaire, végétale ou animale, d'aspect filamenteux, se présentant généralement sous forme de faisceaux.) pour composites dans d'autres types d'utilisations.)

  • Le GLARE composé principalement d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse totale.) et de fibre de verre est utilisé en aéronautique (L'aéronautique inclut les sciences et les technologies ayant pour but de construire et de faire évoluer un aéronef dans l'atmosphère...)

Renforts

Le renfort est le squelette (Le squelette est une charpente animale rigide servant de support pour les muscles. Il est à la base de l'evolution des vertébrés. Celui ci leur a fourni un avantage sélectif conséquent suite au besoin d'un organisme...) supportant les efforts mécaniques. Il peut se présenter sous de nombreuses formes : fibres courtes (mat) ou fibres continues (tissus ou textures multidirectionnelles) en fonction de l'application envisagée. Les fibres possèdent généralement une bonne résistance à la traction mais une résistance à la compression faible.

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 des ces fibres est peu élevée ce qui en fait l'une des fibres les plus utilisées à l'heure (L’heure est une unité de mesure du temps. Le mot désigne aussi la grandeur elle-même, l'instant (l'« heure qu'il est »), y compris en...) actuelle.
Fibre de carbone tissée
Fibre de carbone tissée
  • Les fibres de carbone utilisées pour des applications structurantes. Elle sont obtenue par la pyrolyse d'un précurseur organique (La chimie organique est une branche de la chimie concernant la description et l'étude d'une grande classe de molécules à base de carbone : les composés organiques.) ou non sous atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :) 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.
  • Les fibres de carbure de silicium (Le carbure de silicium (SiC), aussi connu sous le nom de carborundum ou de moissanite, est une céramique composée de silicium et de carbone.) 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 (Le chanvre (Cannabis sativa L.), connu aussi sous son nom latin cannabis, est une espèce de plante annuelle, de la famille des Cannabaceae.) ou le lin. Ces fibres ont de bonnes propriétés mécaniques pour un prix modeste, et sont particulièrement écologiques puisque ce sont des produits naturels.

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.

Dans le cas des CMO (composites à matrices organiques) les principales matrices utilisées sont :

  • Les résines polyester peu onéreuses qui sont généralement utilisées avec les fibres de verre et que l'on retrouve dans de nombreuses applications de la vie (La vie est le nom donné :) courante.
  • Les résines vinylester sont surtout utilisée 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 époxy qui possèdent de bonnes caractéristiques mécaniques. Elle sont généralement utilisées avec les fibres de carbone pour la réalisation de pièces de structure et d'aéronautique.
  • Les résines phénoliques utilisées dans les applications nécessitant des propriétés de tenue aux feu (Le feu est la production d'une flamme par une réaction chimique exothermique d'oxydation appelée combustion.) et flammes imposées par les normes dans les transports civils.
  • Les résines thermoplastiques comme le polypropylène ou le polyamide.

Dans le cas des CMC (composites à matrices céramiques), la matrice peut être constituée de carbone ou de carbure (Un carbure est un composé chimique du carbone avec un deuxième élément chimique autre que l’oxygène. Ils présentent donc une formulation générale de type CxXy.) de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.). Ces matrices sont déposées soit par dépôt chimique en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) 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 (Le zinc (prononciation /zɛ̃k/ ou /zɛ̃ɡ/) est un élément chimique, de symbole Zn et de numéro atomique 30.), nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.),…)
  • d’un renfort métallique ou céramique (Premier « art du feu » à apparaître (avant la métallurgie et le travail du verre), la céramique désigne l’ensemble des objets fabriqués en terre qui ont subi une transformation physico-chimique irréversible au cours...) (par ex : fils d’acier, particules de SiC, carbone, alumine, poudre (La poudre est un état fractionné de la matière. Il s'agit d'un solide présent sous forme de petits morceaux, en général de taille...) de diamant…)

Description mécanique

Formalisation

Le comportement d'un matériau composite se décrit de la manière 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) : \underline{\underline{\sigma}} = \underline{\underline{\underline{\underline{L}}}}_i : \underline{\underline{\epsilon}} pour le cas linéraire.
  • Il y a équilibre des forces volumiques, soit, dans chaque matériau i : \underline{div}(\underline{\underline{\sigma}}) = \underline{0} si l'on néglige la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf. les articles...) de pesanteur (Le champ de pesanteur (ou plus couramment pesanteur) est un champ attractif auquel sont soumis tous les corps matériels au voisinage de la Terre : on observe...) 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 (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) de contact. Cette condition est que la force exercée par le matériau 1 sur le matériau 2 à la surface de contact (\underline{\underline{\sigma}}_1 . \underline{n} si \underline{n} désigne le vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de multiplication par un scalaire. Un n-uplet peut constituer un exemple de vecteur, à...) unitaire perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du latin per-pendiculum (fil...) à la surface) doit être opposée à celle exercée par le matériau 2 sur le matériau 1. Ceci implique une certaine continuité (En mathématiques, la continuité est une propriété topologique d'une fonction. En première approche, une fonction est continue si, à des variations infinitésimales de la variable x, correspondent des...) du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de contraintes \underline{\underline{\sigma}} : on doit avoir (en chaque point des surfaces de contacts des matériaux mélangés dans le composite) (\underline{\underline{\sigma}}_2 - \underline{\underline{\sigma}}_1) . \underline{n} = \underline{0}. C'est par cette condition qu'intervient la microgéométrie du mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée mélange. Les...) dans la détermination du comportement du composite. Ainsi, en mélangeant des matériaux isotropes selon une géométrie (La géométrie est la partie des mathématiques qui étudie les figures de l'espace de dimension 3 (géométrie euclidienne) et,...) 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 \underline{\underline{\underline{\underline{L}}}}^{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'inlusions de forme ellispoïdale).

Des recherches visent à décrire le comportement du composite sans forcément en connaître la géométrie exacte, en essayant de borner l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de déformation du composite (l'énergie de déformation d'un matériau est \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} <= \underline{\underline{\underline{\underline{L}}}}^{eff} <= \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 (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1...) 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 (Un vrai scalaire est un nombre qui est indépendant du choix de la base choisie pour exprimer les vecteurs, par opposition à un pseudoscalaire, qui est un nombre qui peut dépendre de la base.) (comme c'est le cas pour une résistance électrique ou une raideur de ressort), mais par une grandeur multidimensionnelle (le tenseur \underline{\underline{\underline{\underline{L}}}} d'ordre 4).

NB : ici \overline{A} désigne la moyenne (La moyenne est une mesure statistique caractérisant les éléments d'un ensemble de quantités : elle exprime la grandeur qu'auraient chacun des membres de l'ensemble s'ils étaient tous identiques sans changer la...) de A sur tout le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) du composite ; et l'inégalité entre tenseurs \underline{\underline{\underline{\underline{A}}}} <= \underline{\underline{\underline{\underline{B}}}} s'entend au sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution progressive...) ou pour tout tenseur \underline{\underline{\epsilon}} on a \underline{\underline{\epsilon}} : \underline{\underline{\underline{\underline{A}}}} : \underline{\underline{\epsilon}} <= \underline{\underline{\epsilon}} : \underline{\underline{\underline{\underline{B}}}} : \underline{\underline{\epsilon}}

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

La mécanique des composites est encore un domaine de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...) théorique active : comportement mécanique ou électrique, linéaire, non linéaire, viscoélastique, avec fissures ou plasticité, flambage (Le flambage est la tendance qu'a un matériau soumis à une force de compression longitudinale à fléchir, et donc à se déformer dans une direction perpendiculaire...)...

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 (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de l'information par des machines...).

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