Qu’est-ce qu’un composite et dans quels cas son utilisation est-elle pertinente ?
La tendance à la construction légère en série s’est déjà imposée dans presque tous les secteurs industriels. Lorsqu’il s’agit de légèreté, de dynamique et de rigidité, les matériaux composites à fibres représentent le bon choix. Cela se vérifie dans des secteurs variés : notamment l’aéronautique, l’automobile, la construction mécanique, la technique médicale et les équipements sportifs. Mais pourquoi ?
La réponse est simple : grâce à leur polyvalence, les composites permettent d’agir non seulement sur la matrice, mais aussi sur les fibres de renforcement et les agents de charge. Il est ainsi possible d’atteindre précisément les propriétés souhaitées. Par exemple, dans la technique médicale, les composites offrent l’avantage d’être transparents aux rayons X et stérilisables à la vapeur. En automatisation, ce sont le poids réduit et les propriétés d’amortissement qui priment.
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Qu’est-ce qu’un plastique renforcé de fibres ?
Un plastique renforcé de fibres, ou composite, est une combinaison d’au moins deux matériaux différents : un matériau fibreux et un système matriciel. Les fibres les plus couramment utilisées sont :
Fibre de carbone
Fibre de verre
Fibre d’aramide
Les fibres naturelles, telles que le lin, le jute et le lin textile, prennent de plus en plus d’importance. À l’aide d’un système matriciel – souvent un système à deux composants composé de résine et de durcisseur – le matériau fibreux est imprégné. Cette variété de types de fibres et de systèmes matriciels, combinée au procédé de fabrication approprié, permet aux composites d’offrir un avantage maximal par rapport à d’autres matériaux.
Dans quels secteurs industriels et pour quelles applications les composites sont-ils adaptés ?
Aéronautique : composants d’avion (éléments porteurs, fuselages, panneaux de revêtement, etc.)
Automobile : p.ex. composants de véhicules, éléments de carrosserie, monocoques pour sport automobile, ailerons
Construction/architecture : ponts complets, installations industrielles, réhabilitation de ponts, armatures pour béton
Ferroviaire : infrastructures, éléments de revêtement des trains
Équipements sportifs : vélos, chaussures, skis, équipements sportifs de haute performance
Loisirs : cannes à pêche, arceaux de tente
Construction mécanique : poutres, éléments de liaison, habillages, systèmes de protection
Technique médicale : palpeurs de mesure, rallonges, dispositifs de ciblage, tables de radiographie
Quels types de matériaux existent pour quels usages ?
Il existe une grande diversité de types de fibres :
Plastique renforcé de fibres de carbone (CFRP)
Plastique renforcé de fibres de verre (GFRP)
Plastique renforcé de fibres d’aramide (AFRP)
Plastique renforcé de fibres naturelles (NFRP)
Nous nous concentrons ci-dessous sur la fibre de carbone (CFRP), qui présente jusqu'à 8 types de fibres différents :
HT – haute résistance (High Tenacity)
UHT – ultra haute résistance (Ultra High Tenacity)
LM – module faible (Low Modulus)
IM – intermédiaire (Intermediate Modulus)
HM – module élevé (High Modulus)
UM – (Ultra Modulus)
UHM – (Ultra High Modulus)
UMS – (Ultra Modulus Strength)
Pour être transformées, les fibres sont regroupées en filaments. Types courants :
67 tex (1 K)
200 tex (3 K)
400 tex (6 K)
800 tex (12 K)
1600 tex (24 K)
La valeur de 200 tex signifie un poids de 200 g pour 1 000 m, et 1 K indique que 1 000 filaments sont réunis dans un fil. Les « rovings » (fils continus parallèles), qui dépassent 24 K filaments (ex. : 50 K, 100 K ou 400 K), sont appelés « Heavy Tows ».
Les fils plus grossiers servent de fibres de renforcement pour les structures de surface. Les « prepregs », nappes UD ou tissus pré-imprégnés de résine, sont utilisés en aéronautique pour des grammages faibles ou moyens. Dans l’automobile, le produit le plus courant est la structure multiaxiale.
À partir des filaments, on fabrique des structures textiles planes : tissus, nappes multiaxiales, UD-tape, feutres de différentes densités.
Les matériaux en forme possèdent des caractéristiques mécaniques telles que résistance à la traction, à la flexion, résilience aux chocs et capacité d’absorption d’énergie. Ces propriétés dépendent avant tout des fibres elles-mêmes. La teneur en fibres, ainsi que leur orientation, peuvent être ajustées en choisissant le bon type de structure fibreuse.
Cependant, un tissu ou une nappe UD seul ne constitue pas encore un composite. Un système matriciel ou résine est nécessaire. Ce système, en tant qu’agent liant, joue plusieurs rôles : il soutient les fibres et assure la répartition des contraintes sur le composant. L’adhérence entre la résine et les fibres doit donc être suffisante.
Le système matriciel influence principalement les propriétés suivantes :
Résistance chimique
Résistance au vieillissement
Résistance aux rayures
Propriétés électriques
D’autres facteurs tels que la résistance à la traction et à la compression dépendent du rapport entre la fibre et le système matriciel, soit la fraction volumique de fibres.
On distingue principalement les systèmes matriciels thermodurcissables et thermoplastiques.
Duroplasques (systèmes de matrice thermodurcissable) | Thermoplastiques (systèmes de matrice thermoplastique) |
|---|---|
Polyesters insaturés (UP) | Polypropylène (PP) |
Vinylesters (VE) | Polyamide (PA) |
Résines époxy (EP) | Polyétheréthercétone (PEEK) |
Résines phénoliques (PF) | Polysulfure de phénylène (PPS) |
Parmi les différentes combinaisons possibles, les composants individuels – fibre et matrice – sont sélectionnés puis assemblés en un composant composite.
Pour quelles tâches les composites ne conviennent-ils pas ?
En principe, il existe une solution composite adaptée à presque chaque besoin. Il est néanmoins essentiel de considérer l’application dans son ensemble et de décider ensuite si la solution composite est économiquement viable pour l’entreprise.
Pour vérifier si une solution composite répond à vos exigences, nos spécialistes réalisent un examen approfondi. Forte de notre longue expérience en développement de composants, ERIKS trouve la bonne solution pour vous. Si une solution composite ne s’avère pas optimale, nous proposons d’autres matériaux dans notre portefeuille.
Sources :
Matériaux composites fibreux – matrice (encapsulation en résine)