Composite à matrice organique

Les composites à matrice organique (CMO) sont des matériaux composites composés d'une matrice et de fibres.

Ils sont très utilisés grâce à leurs nombreux avantages en construction, en sport et en aéronautique. Le mélange de ses deux constituants va former une matière très performante comprenant des caractéristiques mécaniques très intéressantes, quand la bonne combinaison fibre/matrice a été trouvée.

Introduction

Durant les siècles, on a tenté de trouver de nouvelles alternatives pour améliorer les matériaux. Cela avait pour objectif de satisfaire les exigences liées à la création de structures plus résistantes apportant plus de stabilité ou de confort. L’une de ces alternatives fut le développement de la matière plastique. On peut trouver grâce à cette évolution des polymères de haute performance dits de “Spécialité”. Les polymères de spécialité sont des polymères avec de grandes caractéristiques mécaniques pour des produits subissant de fortes contraintes. On peut aussi les qualifier de polymère « HP » pour haute performance. À l'inverse, les polymères de Grandes Diffusions « GD » sont beaucoup plus accessibles niveau prix, mais les caractéristiques restent plus faibles. Néanmoins, ce type de matériau peut être limité en fonction de l’utilisation désirée, cela peut rendre le produit final insuffisamment résistant et moins sécurisé. C’est pour cela que les avions sont composés à 70 % d’alliage métallique, ils doivent respecter les normes et garder un rapport résistance/poids convenable.

Pour combler les faiblesses de ces polymères, on doit trouver un matériau et l’un d’entre eux fut le matériau composite. Il peut être formé grâce à la combinaison de deux matières hétérogènes assemblées à la fin du processus de fabrication. Ces deux matières disjointes ont des faiblesses, mais ensemble forment une matière très résistante selon certaines sollicitations.

Partie fibre gauche|vignette|175px|Fibre de carbone. La formation d’un matériau composite va se faire avec l’assemblage d’une matrice, mais aussi de fibre. Les fibres, ou autrement dit, les renforts, vont apporter la rigidité dans le matériau. Les capacités du composite vont grandement dépendre des fibres, chaque type de fibre n’a pas la même utilité, certaines sont plus adaptées, selon les situations.

Si on cherche un composite pouvant résister au choc, mieux vaut se tourner vers le Kevlar (aramide), il est par exemple utilisé pour la fabrication des gilets pare-balles. Cependant, si on cherche à fabriquer une pièce très performante dans des secteurs de pointe, la fibre de carbone est choisie. Cette dernière est le choix majoritaire dans ces industries, au vu de ses caractéristiques mécaniques. Le choix de la fibre va essentiellement dépendre de l’action appliquée sur le composite, le but étant de résister à la contrainte.

Partie matrice La matrice va former un bloc compact permettant de rassembler les fibres dans une seule et même pièce. Elle va donc permettre la création de la forme de la pièce en apportant de la cohésion dans le milieu. La matrice joue alors un rôle important dans l’harmonie de la matière, elle va aussi permettre de protéger les fibres du milieu environnant.

Il existe deux types de matrice : les matrices thermodurcissables et les matrices thermoplastiques. Ces matrices sont dites “organiques", car elles sont composées à partir de carbone, c’est le cas des végétaux ou des minéraux dans la nature. Ces deux types de polymères ne sont pas formés de la même façon et apportent des caractéristiques différentes au matériau.

Types de matrice Matrice thermoplastique vignette|200px|Utilisation de monomères. Les monomères sont principalement constitués de molécules simples. Les polymères sont issus de ces monomères, la polymérisation crée un motif de répétition. La réaction s’arrête quand il n’y a plus de monomère ou quand l’amorceur n’est plus dans des proportions suffisantes. Cet amorceur va permettre d’initier le processus de polymérisation de la matière, il crée dans la chaine des « centres actifs ». Ces derniers sont des points d’attache pour chaque groupe de molécules isolé. Il y aura sur la macromolécule principale des points de ramification où les chaines pourront s'attacher. Le polymère aura alors une forme de « branche » avec de nombreuses tiges, on ne peut pas contrôler la répartition des ramifications sur la macromolécule.

Les polymères sont sous forme amorphe ou semi-cristalline, ces deux topologies vont donner des caractéristiques différentes et n’auront pas les mêmes compositions. Un matériau amorphe aura une organisation désordonnée alors qu'un matériau semi-cristallin sera ordonné. Pour le représenter, on imagine pour un état désordonné une pelote de laine, à l’inverse, l’état ordonné peut ressembler à une couverture soigneusement pliée. gauche|vignette|Chaîne amorphe et semi-cristalline. Ce recouvrement de macromolécule va d’un point de vue esthétique modifier l’opacité de la matière, un matériau amorphe sera opaque contrairement à un matériau semi-cristallin. Cela est dû à son réseau macromoléculaire qui va moins facilement laisser passer la lumière à travers la matière. Les bouteilles d'eau en plastique transparent sont faites avec un polymère qui est sous forme amorphe, cependant si on chauffe cette matière, le plastique blanchit et devient opaque. Cela va aussi influencer la température de fusion du matériau ou encore influencer sa résistance, il faut donc le bon type de polymère.

À titre d’exemple, on utilise les semi-cristallins dans l’automobile ou l’aéronautique pour obtenir une résistance thermique élevée tout en gardant un matériau performant. On utilise principalement une matrice polyester pour former le composite.

Matrice thermodurcissable gauche|vignette|Four de pyrolyse. Les thermodurcissables ne se construisent pas de la même façon. Tout commence par l’utilisation d’un prépolymère sous forme de résine, cette dernière est ensuite “durcie” grâce à un durcisseur. Le processus de réticulation peut avoir lieu si le prépolymère est sous forme insaturée, cela signifie qu’il y a des liaisons doubles permettant le durcissement de la matière. Les liaisons doubles vont permettre aux macromolécules de s’accrocher entre elles pour former le thermodurcissable. Cela va former comme des ponts entre les macromolécules, reliant une à une chaque chaine. Il existe deux types de durcisseur : les durcisseurs coréactifs qui vont réagir avec les groupes chimiques de la molécule et des durcisseurs catalytiques qui vont réagir avec les cations ou les anions. Le durcisseur coréactif est bien plus rapide, car il va directement fusionner avec le groupe plutôt qu'avec l'électronégativité d'un atome. Les matrices les plus courantes sont le polyester insaturé et les époxydes. Elles possèdent une faible viscosité qui va favoriser le mouillage des fibres. Le mouillage va jouer sur la capacité de la matrice à imprégner la fibre, si on a une mouillabilité importante, la fibre acceptera plus facilement la résine.

Ces thermodurcissables ne sont pas recyclables, ils ne peuvent pas revenir à l’état liquide comme les thermoplastiques. La seule solution est d'effectuer une pyrolyse pour casser les liaisons et détruire la matière. La pyrolyse utilise un four pour chauffer à très haute température le polymère.

Types de fibre Fibre de verre

La fibre de verre est très utilisée dans l’industrie, elle représente approximativement 95 % des renforts dans des secteurs variés. Cette fibre offre des caractéristiques mécaniques intéressantes avec un prix attrayant. Son prix permet de l’utiliser sans problème dans une production de série moyenne (inférieure à ), voire grande (inférieure à ).

L’un de ses autres atouts est sa légèreté, un matériau composite avec une fibre de verre sera beaucoup plus léger qu’un alliage d’acier. Cela va alléger les structures et améliorer les performances mécaniques. Il existe huit types de fibre de verre. Par exemple, la fibre de verre AF, qui a une bonne résistance en milieu acide et basique ; la fibre de verre R, qui possède une résistance mécanique élevée ; la fibre de verre E, qui a un usage plutôt général. Chaque type est produit selon une composition différente qui va modifier les caractéristiques. Il existe donc des verres de haute performance ainsi que des verres adaptés pour du travail en série à faible coût. La fibre de verre est fabriquée la plupart du temps avec de la silice fondue, cette dernière est amorphe et a une température de fusion très importante. La viscosité de la silice fondue est un problème, il faut alors ajouter des cations métalliques pour réduire cette viscosité. Les cations vont modifier la morphologie de la silice, cela va créer des groupes cationiques qui vont perturber l'électronégativité totale.

Pour fabriquer la fibre de verre, on utilise une filière avec des alliages spécifiques (platine/rhodium) qui est composé de plusieurs orifices pour faire passer la matière. Ces orifices ont un diamètre de et la fibre est maintenue à une température élevée dépendant du type de verre. Les filaments étirés sont ensuite refroidis et vont subir un enzymage pour former la fibre. L'enzymage va protéger la fibre fragilisée par le procédé et augmenter l'adhésion des fibres entre elles.

Autre type de fibre La fibre de carbone peut être trouvée selon trois modèles : le modèle HR (haute résistance), le modèle IM (module intermédiaire) ou le modèle HM (haut module). Le modèle haute résistance va apporter un matériau plus rigide avec des caractéristiques mécaniques très importantes alors qu’un module va rendre le matériau plus “souple” permettant d’avoir un caractère ductile. Cette fibre est créée à partir du graphite qui lui donne une forme cristalline stable. Ces fibres peuvent avoir des propriétés mécaniques similaires à celles du diamant. Pour cela, il faut que la force soit dirigée dans le sens parallèle des fibres. Pour augmenter la rigidité de cette fibre, on peut effectuer une graphitisation permettant la réorientation des fibres pour maximiser la rigidité.

La fibre de carbone est principalement utilisée dans des secteurs de pointe comme l’aéronautique, c’est un matériau très performant, mais aussi onéreux. Les méthodes de mises en œuvre doivent donc être méticuleuses pour éviter tout gaspillage. Cette fibre représente 5 % de l’industrie, les autres fibres telles que la fibre de Kevlar ou la fibre de bore sont minoritaires et exploitées dans des cas très spécifiques.

Avantages et inconvénients Avantages des composites Ce genre de matériau apporte dans l’industrie de nombreux atouts. Si on les compare à des matériaux métalliques, les composites vont avoir des caractéristiques mécaniques plus importantes avec un gain de masse non négligeable. Ils vont aussi être plus résistants à la fatigue et à la corrosion. Les métaux doivent subir de nombreuses maintenances pour limiter une propagation potentielle de la fatigue ou de la corrosion, cependant les composites n'ont pas besoin de cette vérification.

Toutefois, pour qu’un matériau composite soit opérationnel, il faut traiter la surface et avoir un contrôle sur le vieillissement du matériau, le vieillissement est anticipable comparé à la corrosion des alliages. Les composites offrent une solution plus durable que les alliages, mais d’un point de vue recyclabilité et coût de production l’alliage reste le mieux.

Les matériaux composites peuvent être réalisés en une seule pièce, il suffit de créer un moule adapté pour former la pièce voulue. Toutefois, il est possible d'assembler plusieurs pièces composites avec des méthodes de collages, de stratifications ou d'assemblage mécanique.

Défauts de matrice vignette|300px|Cristallisation partielle du polymère.