présentation sur Matériaux composites du macro au nano
Un MC est une association de deux ou plusieurs phases solides dont l’union forme un matériau plus performant. Le MC que nous allons étudié est à base de fibres (continues ou discontinues) noyés dans une matrice résineuse.
Introduction au Matériau Composite (MC)
Un Matériau Composite (MC) est un matériau de structure complexe résultant de l'association de deux ou plusieurs phases solides distinctes. Ces phases conservent leur identité physico-chimique mais leur union forme un nouveau matériau global dont les performances (résistance, légèreté, rigidité) sont supérieures à celles de chacun de ses constituants pris isolément.
Le type de composite le plus couramment étudié, notamment en génie civil et dans l'industrie, est le Composite à Matrice Polymère Renforcée de Fibres. Dans ce cas, le matériau est constitué de fibres (continues ou discontinues) noyées dans une matrice résineuse (polymère).
1.2 Définitions : Composite, Fibres et Matrice
Composite
Un matériau hétérogène, créé artificiellement, composé d'une phase dispersée (le renfort, souvent sous forme de fibres) et d'une phase continue (la matrice). Leurs interfaces jouent un rôle crucial dans le transfert de charge.
Fibres (Le Renfort)
Nature : Ce sont des éléments longs, très fins, et à très haute résistance mécanique (résistance à la traction) et rigidité. Elles peuvent être continues (longues, assurant une résistance maximale) ou discontinues (courtes, utilisées pour un renforcement plus isotrope ou pour des pièces moulées).
Rôle principal : Assurer la résistance mécanique et la rigidité du composite.
Matrice
Nature : C'est le matériau qui enveloppe les fibres. Elle est généralement une résine polymère (époxy, polyester, vinylester) dans les MC.
Rôle principal : Assurer la cohésion de l'ensemble, protéger les fibres contre l'environnement (humidité, chocs) et, surtout, transférer les charges appliquées à l'ensemble vers les fibres.
1.3 Rôles Détaillés des Fibres et de la Matrice
1.4 Différents Domaines d'Applications
Les matériaux composites sont prisés pour leur rapport performance/poids exceptionnel, ce qui a étendu leur utilisation dans de nombreux secteurs :
Aéronautique et Aérospatial : Fuselages, ailes (fibres de carbone/époxy) pour la légèreté et la résistance.
Automobile et Transport : Pièces de carrosserie, châssis de véhicules de sport, réservoirs (pour la réduction de la consommation de carburant).
Génie Civil : Renforcement et réparation de structures en béton armé (en utilisant des tissus ou lamelles en fibres de carbone - CFRP), ponts et passerelles légères.
Articles de Sport : Raquettes de tennis, vélos de course, coques de bateaux (pour la légèreté et la rigidité).
Énergie : Pales d'éoliennes (où la légèreté et la très grande résistance sont essentielles).
1.5 Indice de Performance
L'indice de performance d'un matériau composite est souvent mesuré par le rapport entre sa performance mécanique et sa masse volumique (par exemple, Reˊsistance/Masse Volumique ou Module de Rigiditeˊ/Masse Volumique).
Les MC excellent sur cet indice, offrant une performance structurelle très élevée pour un poids minimal, ce qui est le principal moteur de leur adoption dans les domaines critiques comme l'aéronautique.
Classification des Fibres de Renfort
Les fibres utilisées dans les composites sont classées selon leur origine :
Fibres Artificielles (Haute Performance)
Ces fibres offrent les plus hautes propriétés mécaniques et sont utilisées pour des applications structurelles de pointe :
Les fibres de verre : Le renfort le plus couramment utilisé, offrant un bon équilibre entre performance, coût et facilité de mise en œuvre.
Les fibres de carbone : Offrent la meilleure rigidité et la meilleure résistance à la traction. Très légères, elles sont essentielles dans l'aérospatial et les structures haute performance.
Les fibres d’aramide (Kevlar®) : Connues pour leur excellente résistance à l'impact et à la rupture. Elles sont utilisées dans les gilets pare-balles, mais aussi pour les structures nécessitant une haute ténacité.
Les fibres de bore : Utilisées dans des applications très spécifiques et hautement techniques, offrant une rigidité exceptionnelle.
Fibres Végétales (Écologiques ou Biosourcées)
Également appelées fibres naturelles, elles sont une alternative écologique aux fibres synthétiques, grâce à leur faible densité, leur caractère renouvelable et leur bonne absorption des vibrations :
Les fibres de chanvre : Utilisées pour l'isolation, mais de plus en plus comme renfort dans des biocomposites.
Les fibres de lin : Offrent de bonnes propriétés mécaniques pour un faible impact environnemental. Elles sont souvent employées dans le secteur automobile non structurel et le nautisme.