Matériaux composites 

Matériaux composites 

 L’idée de combiner plusieurs composants pour produire de nouveaux matériaux (matériaux composés) avec de nouvelles propriétés n’est pas nouvelle, car la première utilisation de ces matériaux remonte à 1500 avant JC lorsque les Égyptiens et les premiers Mésopotamiens ont utilisé un mélange d’argile et de paille pour créer des bâtiments solides et durables plus tard et en 1200 après JC, inventé Premier arc à poulies des Moghols. Utilisant une combinaison de bois, d’os et de colle animale, ces bretelles sont très solides et très précises et compactes grâce à la technologie, ce fut l’arme la plus puissante de l’arme au sol jusqu’à l’invention de la poudre à canon [1]. Bien que les matériaux composites soient connus sous diverses formes à travers l’histoire de l’humanité, l’histoire des composés modernes est apparue au XVIIIe siècle, lorsque l’utilisation des matériaux composites s’est étendue à la plupart des domaines industriels.

Définition Un matériau composite est la conjonction de plusieurs matériaux élémentaires non miscibles de natures différentes, se complétant. Pour obtenir un nouveau matériau ayant des propriétés supérieures à celui des composants pris séparément. 

Constituants des matériaux composites 

En générale un matériau composite est constitué principalement d’une matrice, des additions, des renforts et des interfaces, les propriétés de ce matériau dépendant directement à la nature et la proportion de ses différents constituants.

La matrice La matrice est la phase continue qui lie et maintient les fibres, transmet et répartie les efforts extérieurs vers le renfort. D’un autre côté elle donner la forme à la pièce et garantir ses caractéristiques géométriques [2]. La figure ci-dessous représente les types de matrices les plus courants.

Matrices organiques 

Les matrices organiques sont largement utilisées pour la fabrication des matériaux composites, grâce à leurs caractéristiques (Protection contre la corrosion et attaques chimiques, faible coût et facilité de mise en œuvre…). Par ailleurs, la matière organique désignée un polymère qui peut être défini comme un enchaînement de monomères (Un monomère est une molécule composée principalement de carbone et d’hydrogène). Généralement, les polymères peuvent présenter des architectures extrêmement variables, ils peuvent être linéaires, ramifiés ou réticulés, le plus souvent, ils sont amorphes et parfois cristallisés [4], ils possèdent de bonnes propriétés mécaniques et une faible masse volumique [5]. Il existe trois grandes familles de matière organique (thermoplastique, thermodurcissable et élastomères). 

Matrices thermoplastiques(TP)

Les thermoplastiques sont des chaînes polymères reliées entre elles par de faibles liaisons. Ils sont recyclables et possèdent au moins un solvant. Les thermoplastiques représentent le plus grand tonnage en termes de production à cause de leur facilité de mise en œuvre et des faibles coûts [6]. 

Matrices thermodurcissables(TD) Les matrices thermodurcissables sont des polymères qui, après un traitement thermique ou physico-chimique (catalyseur, durcisseur), se transforment en des produits essentiellement infusibles et insolubles. Ces polymères ont la particularité de ne pouvoir être mis en forme qu’une seule fois cela engendre le problème de recyclage [7], mais ils possèdent des propriétés mécaniques et thermomécaniques élevées par rapport aux thermoplastiques [6].

Matrices élastomères(ME) Les matrices élastomères sont des polymères naturels ou synthétiques dont la structure particulière conféré une importante élasticité (jusqu’à500% d’allongement par rapport à la taille initiale), elles sont largement utilisées en tant que solutions antivibratoires. Aitre d’exemple, nous prouvent citer les élastomères suivants : les silicones d’élastomère, les polyuréthanes, le néoprène, le latex etc.… 

Matrices métalliques(MM) 

Les matrices métalliques les plus utilisées sont : l’aluminium et son alliage, le nickel, le titane et le magnésium. Ces matrices sont présentes d’excellentes propriétés physiques et chimiques par rapport au matrices organiques telles que : une tenue en température élevée, bonne conductivité électrique et thermique. II.1.3. Matrices céramiques(MC) Les matrices les plus utilisées sont composées de carbone, de silicium de carbure (SiC), d’alumine ou de verre [5], ce type est très difficile puisqu’elle nécessite des manipulations à des températures très élevées d’où l’intervention de main d’œuvre très qualifiée [9].

Les renforts

 Le renfort est le squelette ou l’armature du composite, il confère aux composites leurs caractéristiques mécaniques (rigidité, résistance à la rupture, dureté, etc…). Il permet aussi d’améliorer certaines des propriétés physiques : comportement thermique, tenue en hautes températures, tenue au feu, résistance à l’abrasion, propriétés électriques. Les caractéristiques recherchées pour les renforts sont : des caractéristiques mécaniques élevées, une masse volumique faible, une bonne compatibilité avec les résines, une bonne facilitée de mise en œuvre, un faible coût, etc… . La figure ci-dessous représente les types de renforts les plus courants

Renforts organiques

Les fibres aramides

 Au niveau industriel, les fibres organiques les plus utilisées sont les fibres d’aramide. Elles sont les premières fibres organiques à être utilisée comme renfort dans les structures composites [13]. Les fibres aramides (généralement connues sous le nom de « Kevlar », nom commercial de la fibre mise au point par Dupont de Nemours) sont des polymères polyamides aromatiques, caractérisées par une stabilité thermique élevée et des propriétés diélectriques. En autre, les fibres d’aramide présentent une faible densité, une haute résistance à la traction et des caractéristiques exceptionnelles de rigidité. Le comportement de ces fibres est semblable à celui des métaux car sous faible charge elles sont élastiques et deviennent plastiques quand elles sont soumises à de fortes contraintes, elles constituent un bon compromis entre les fibres de carbone et celles à base de verre [14 – 16].

Renforts inorganiques

 Les principales fibres inorganiques sont : II.2.2.1. Les fibres de verre Les fibres de verre sont les plus anciennes (1940) et les moins chères (environ 1euro/kg) des fibres du marché [18], ont un excellent rapport performance mécanique/prix qui les placent de loin au premier rang des renforts utilisés actuellement dans la construction de structures composite. Elles sont obtenues à partir de sable (silice) et d’additifs (alumine, carbonate de chaux, magnésie, oxyde de bore) [19]. On distingue généralement différents types des fibres qui est utilisés pour des applications spécifiques, leurs caractéristiques majeures sont répertoriées dans le Tableau ci-dessous