Composites à matrices organiques

Plan de la présentation Introduction et définitions Propriétés des composites à matrices organiques Applications en construction Prix sur le marché

Matériaux composites Un matériau composite est constitué d'une ossature appelée renfort (qui est généralement des fibres) qui assure la tenue mécanique et d'un liant appelé matrice qui est la plupart du temps une matière plastique (résine thermoplastique ou thermodurcissable) et qui assure la cohésion de la structure et la transmission des efforts vers le renfort.

les composites à matrices céramiques (CMC) 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) les composites à matrices métalliques (CMM) Les composites trouvent leurs principales applications dans les transports 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 à leur faible masse volumique.

Renforts Le renfort est l'armature reprenant l'essentiel des efforts mécaniques. Les renforts peuvent être classés selon : leur composition : métal, verre, polymère, etc. ; leur forme : leur disposition : mat ou tissé. Le renfort peut être seul au sein d'une matrice (composite homogène) ou associé à un renfort de nature différente (composite hybride).

Les fibres possèdent généralement une bonne résistance à la traction mais une résistance faible à la compression. Parmi les fibres les plus employées on peut citer : les fibres de verre qui sont utilisées dans le bâtiment, le nautisme et diverses applications structurelles peu chargées. 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 structurelles visant à obtenir une plus grande légèreté et une meilleure rigidité qu'avec la fibre de verre . 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 souples de carburant en Formule 1 ; les fibres de carbure de silicium sont une bonne réponse à l'oxydation du carbone dès 500 °C pour les composites d'entrée de gamme, un intérêt croissant est porté aux fibres végétales, comme le chanvre ou le lin (lin textile). Ces fibres ont de bonnes propriétés mécaniques pour un prix modeste, et sont particulièrement écologiques. On rencontre aussi des fibres de polyester, telles que le Textilene.

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 : thermodurcissables : thermoplastiques

Une résine désigne un produit polymère (naturel, artificiel ou synthétique) qui est une matière de base pour fabriquer par exemple des matières plastiques, peintures, adhésifs, vernis. Elle peut être thermoplastique ou thermodurcissable. Dans un matériau plastique renforcé, la résine, encore appelée matrice, très fluide ou très visqueuse, sert de liant pour faire la liaison entre les différentes particules du renfort, telles les fibres ou billes de verre.

Propriétés Matrices thermodurcissables : La transformation d'un matériau thermodurcissable fait intervenir une polymérisation, laquelle est irréversible et conduit à un produit fini solide, généralement rigide. Ce dernier est infusible donc non transformable, ce qui empêche son recyclage. Il est souvent préparé par réticulation, deux ingrédients, dont l'un est typiquement une « résine », réagissent sous l'action de la chaleur en présence de réactifs (catalyseur et accélérateur de polymérisation). La structure tridimensionnelle (réseau) formée, stable, présente une résistance thermomécanique et chimique.

La polymérisation peut se produire : à température ambiante, après mélangeage (exemple : système bicomposant : la résine et les réactifs sont mélangés au moment de l'emploi) ; par chauffage (cuisson, généralement à partir de 200 °C) sous pression, ce qui augmente les cadences de production ; en présence de l'humidité de l'atmosphère ambiante (colles à prise très rapide type SuperGlue, certaines peintures et certains silicones) ; par irradiation UV, électronique… La réaction chimique transforme la résine en « plastique » rigide, élastomère, par formation de nœuds (tri- et tétravalents) de réticulation et de pontages de chaînes. La matière d'œuvre est généralement liquide, en poudre ou en pastille, conçue pour être moulée et acquérir une forme finale, ou pour servir d'adhésif. L’énergie et les réactifs ajoutés provoquent la liaison des chaînes moléculaires pour former un réseau tridimensionnel.

Exemples de matrices thermodurcissables les résines polyesters insaturés (UP) 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 époxyde (EP) qui possèdent de bonnes caractéristiques mécaniques. Elles sont généralement utilisées avec les fibres de carbone pour la réalisation de pièces de structure performantes (véhicules et voiliers de compétition, aéronautique), les résines vinylester sont surtout utilisées pour des applications où les résines polyester ne sont pas suffisantes. Elle sont issues d'une modification d'une résine époxyde et excellentes pour des applications de résistance chimique, les résines phénoliques (PF) utilisées dans les applications nécessitant des propriétés de tenue aux feux et flammes imposées par les normes dans les transports civils, les résines polyimides thermodurcissables (PIRP) pour des applications à haute température (~300 °C) et polybismaléimides (BMI) pour des applications à température intermédiaire (~225 °C) ;

Matrices thermoplastiques Une matière thermoplastique désigne une matière qui se ramollit (parfois on observe une fusion franche) d'une façon répétée lorsqu'elle est chauffée au-dessus d'une certaine température, mais qui, au-dessous, redevient dure. Une telle matière conservera donc toujours de manière réversible sa thermoplasticité initiale. Cette qualité rend le matériau thermoplastique potentiellement recyclable (après broyage). C'est le cas du verre, des métaux et en général des macromolécules monodimensionnelles (issues de monomères bivalents), à structure linéaire ou ramifiée, de la chimie organique (par exemple, PE, PVC et PA). L'état de ramollissement permet leur déformation sous l'action de contraintes mécaniques, cette déformation étant figée par le refroidissement.

Exemples de matrices thermoplastiques le polypropylène, le polyamide, le polyétherimide (en) (PEI), le poly(sulfure de phénylène) (PPS) et le polyétheréthercétone (PEEK) pour la réalisation de pièces de structure et d'aéronautique.

Applications en construction Peinture Tuyaux en plastique pour faire circuler l’eau ou évacuer les eaux usées Additifs( anti-UV…) fenêtres en plastique pour s’assurer que la chaleur ou la fraîcheur restent à l’intérieur et permettre une bonne isolation sonore Lubrifiants Résine polyester bicomposant chargée de fibres de verre pour réparer, rapidement et de façon durable, des trous dus à la rouille, s'utilisant directement sur le métal.

Prix sur le marché Peintures : 100 Dhs/Kg Résines armées : 350 Dhs/ Kg Etc..