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.

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 composite:

• 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 fibre de (initialement coton ou papier) imprégné à haute pression avec des résines phénoliques durcissantes telles que le Bakélite
• Le contreplaqué utilisé en menuiserie, construction, ébénisterie et un composite de plusieurs pièces de bois
• Les cloisons de Placoplatre, très utilisé dans le bâtiment hors intempéries.
• Le béton armé en génie civil sont des composite de polystyrènes et de platre.
• 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. 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 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 utilisées pour des applications structurantes. Elles sont obtenue 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. 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 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 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. Elles 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 et flammes imposées par les normes dans les transports civils.
• Les résines polyimides et bismaleimides pour des applications haute température.
• 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 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…)

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.

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) : $\underline{\underline{\sigma }}={\underline{\underline{\underline{\underline{L}}}}}_i:\underline{\underline{ϵ}}$ pour le cas linéraire.
• Il y a équilibre des forces volumiques, soit, dans chaque matériau i : $\underline{\mathrm{div}}(\underline{\underline{\sigma }})=\underline{0}$ 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 (${\underline{\underline{\sigma }}}_1\cdot \underline{n}$ si $\underline{n}$ 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 $\underline{\underline{\sigma }}$ : on doit avoir (en chaque point des surfaces de contacts des matériaux mélangés dans le composite) $({\underline{\underline{\sigma }}}_2-{\underline{\underline{\sigma }}}_1)\cdot \underline{n}=\underline{0}$. 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 ${\underline{\underline{\underline{\underline{L}}}}}^{\text{eff}}$ 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'inlusions 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 $\frac{1}{2}\underline{\underline{\sigma }}:\underline{\underline{ϵ}}$). On peut ainsi citer les bornes de :

• Voigt et Reuss : ${\overline{{\underline{\underline{\underline{\underline{L}}}}}^{-1}}}^{-1}⩽{\underline{\underline{\underline{\underline{L}}}}}^{\text{eff}}⩽\overline{\underline{\underline{\underline{\underline{L}}}}}$ 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 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 $\underline{\underline{\underline{\underline{L}}}}$ d'ordre 4). NB : ici $\overline{A}$ désigne la moyenne de $A$ sur tout le volume du composite ; et l'inégalité entre tenseurs $\underline{\underline{\underline{\underline{A}}}}⩽\underline{\underline{\underline{\underline{B}}}}$ s'entend au sens où pour tout tenseur $\underline{\underline{ϵ}}$ on a $\underline{\underline{ϵ}}:\underline{\underline{\underline{\underline{A}}}}:\underline{\underline{ϵ}}⩽\underline{\underline{ϵ}}:\underline{\underline{\underline{\underline{B}}}}:\underline{\underline{ϵ}}$

• 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.

• Matériaux - Tome 2. Microstructure et mise en oeuvre - 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 - Editions Septima (1989)
• Technologie des composites - auteur : Maurice Reyne - Hermes (1995) - ISBN 2-86601-455-3 harry potter