Fondamentaux des matériaux composites - A100

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Marché

Qu'est-ce qu'un matériau composite ?

Un matériau composite est une combinaison de deux ou plusieurs matériaux de caractéristiques chimiques ou physiques nettement différentes. Travaillant ensemble en collaboration, ils créent une nouvelle combinaison de matériaux aux propriétés et caractéristiques améliorées qu'aucun matériau ne peut fournir à lui seul.

En tant que matériau nouvellement créé doté de propriétés et de caractéristiques uniques, les composites sont généralement acceptés comme une classe supplémentaire de matériaux d'ingénierie.

Les classes de matériaux telles que définies par Ashby. Reproduit de . Remarque : de nombreuses sources regroupent les polymères avec des élastomères (en tant que polymères) et les céramiques avec des verres (en tant que céramiques) .

Classes de matériaux d'ingénierie :

• Les métaux
• polymères
• Céramique
• Composites

Alors que les combinaisons de matériaux sont illimitées, le Knowledge in Practice Center (KPC) se concentre principalement sur les combinaisons de matériaux de polymères renforcés avec des fibres de divers matériaux. Souvent appelés polymères renforcés de fibres (FRP), ceux-ci comprennent les fibres de verre et fibre de carbone (matériaux composites.

Quels sont les avantages des matériaux composites ? Les propriétés des matériaux obtenues par des combinaisons de matériaux ciblées peuvent donner aux composites des avantages qui ne peuvent pas être obtenus par des matériaux d'ingénierie simples conventionnels. Les avantages peuvent être une rigidité élevée ou un rapport résistance/poids (pensez à un avion ou une voiture de course), une rigidité personnalisable ou un module de stockage élastique élevé dans des directions de charge définies (pensez à une pagaie de kayak ou à un bâton de hockey).

Où sont utilisés les matériaux composites ? Les matériaux composites sont utilisés dans un large éventail d'applications allant des structures aérospatiales aux coques de bateaux en passant par les articles de sport. Par exemple, les matériaux composites nous permettent de voler plus loin et de développer des automobiles plus économes en carburant (réduction du poids des véhicules), de récolter l'énergie plus efficacement (pales d'éoliennes plus légères et plus grandes), de prévenir les blessures (équipements de sécurité comme les casques de moto) et de profiter d'activités récréatives. (équipements sportifs).

Marché des composites :

• Industrie aerospatiale
• Automobile
• Articles de sport
• Marine
• Biens de consommation
• Construction/structures civiles
• Applications industrielles

Pour en savoir plus, visionnez le webinaire de l'événement KPC AIM :

• Cliquez ici pour voir l'événement KPC AIM : Webinaire sur l'ingénierie des matériaux composites, session 1 - Introduction

Histoire des composites

Origines des matériaux composites

L'utilisation de matériaux composites remonte à l'Égypte ancienne, à la Turquie et à la Mésopotamie, où les civilisations combinaient des matériaux naturels tels que la paille pour renforcer la boue et l'argile dans les briques et la poterie. Le concept d'une structure stratifiée utilisant des orientations de fibres est également suggéré comme étant originaire de l'Égypte ancienne en 3400 avant notre ère sous la forme de contreplaqué. Dans les années 1200, les Mongols ont été crédités d'avoir développé le premier arc composite, en utilisant une structure en sandwich faite d'os d'animaux, de ligaments, de bois, de pin résine, et d'autres matériaux naturels.

1900s

Les composites avancés modernes sont relativement nouveaux, leur histoire remontant au début des années 1900 avec le développement de plastiques artificiels et de résines thermodurcissables telles que la bakélite aux États-Unis. En 1913, le concept de pré-imprégnation est déposé dans un brevet et en 1916 un autre brevet est déposé pour une hélice d'avion composite. Il faudra cependant attendre les années 1930, avec les premiers procédés industriels de fabrication de fibres de verre, pour que les polymères renforcés de fibres (PRF) voient le jour. La Seconde Guerre mondiale a favorisé la production de FRP, ce qui a conduit à l'introduction de polymères renforcés de fibres de verre (GFRP) utilisés dans les avions, les automobiles, les coques de bateaux et même les planches de surf. À la fin des années 1950 et au début des années 1960, les fibres de carbone et d'aramide ont été introduites dans le monde, avec des percées dans la recherche aux États-Unis, au Royaume-Uni et au Japon.. Cela a depuis révolutionné l'industrie des composites. En raison de leurs propriétés attrayantes de résistance au poids, l'industrie aérospatiale a commencé à adopter des polymères renforcés de fibres de carbone (CFRP) et a depuis mené à l'avancement de la conception et de la fabrication de matériaux composites.

Jour moderne

En 2009, Boeing a dévoilé le 787 Dreamliner, un avion de ligne commercial composé à 80 % de composites en volume. Aujourd'hui, les matériaux composites ont trouvé une utilisation dans un large éventail de marchés, des applications spécialisées aux produits de consommation.

Marché des composites :

• Aéronautique (avions, lanceurs spatiaux)
• Automobile (carrosseries automobiles, panneaux, poutres)
• Articles de sport (skis et planches à neige, casques, bâtons de hockey, vélos, cannes à pêche)
• Marine (coques de bateaux)
• Biens de consommation (ordinateurs et téléphones cellulaires)
• Ouvrages de construction/civils (ponts)
• Applications industrielles (isolateurs électriques, tuyauterie)

Principaux constituants d'un matériau composite

Les éléments matériels (constituants) qui forment un polymère renforcé de fibres (FRP (Plastique Renforcé de Fibres de Verre)) matériau composite.

Les matériaux composites sont formés par l'association de deux parties ou composants matériels, appelés constituants :

• Renforcement matériau (le matériau porteur) - généralement plus rigide et plus résistant
• Matrice matériau (la reliure / tout tenir ensemble) - généralement moins rigide et plus faible

Les deux matériaux réunis sous la forme d'un matériau composite, où le matrice est la phase de matériau continu, tandis que le renforcement est la phase de matériau dispersé. Le composant de matériau de matrice est utilisé pour classer le type ou la famille du matériau composite.

De manière générale, il existe trois grandes familles de matériaux composites :

1. Composites à matrice polymère (PMC) – l'accent mis sur le KPC
2. Composites à matrice métallique (MMC)
3. Composites à matrice céramique (CMC)

La convention de dénomination typique de l'industrie pour les matériaux composites fait référence à la fois aux composants du matériau de renforcement et de la matrice. Par exemple, le polymère renforcé de fibres (FRP) fait référence à la forme de renforcement des fibres et à la matrice polymère. Des exemples de dénomination plus détaillés incluent le polymère renforcé de fibre de verre (GFRP) - souvent simplement appelé composite de fibre de verre (ou fibre de verre) et le polymère renforcé de fibre de carbone (CFRP) - appelé composite de fibre de carbone ; indiquant respectivement le matériau et la forme du renfort et la classe de matériau de la matrice.

Illustration des phases constitutives du matériau composite. (Matrice - phase continue, Renforcement - phase dispersée)

La manière dont les composants du matériau de renforcement et de la matrice sont combinés pour former le matériau composite fait l'objet du traitement des composites. Voir ici pour quelques exemples courants de processus de fabrication de composites dans l'industrie.

Pour plus d'informations matérielles sur ce qui est fourni sur cette page, voir le Page Structure matérielle dans le volume Connaissances fondamentales.

Matériau de renforcement

Lien vers la structure d'armature sur la page Structure du matériau dans les connaissances fondamentales

Le composant de renforcement est responsable de la capacité de charge principale du matériau composite. Les renforts peuvent aller de courtes particules discrètes à de longues fibres continues et à des tissus de fibres tissées. En raison de leur fonction de support de charge, les matériaux de renforcement sont généralement des matériaux de classe céramique ou des polymères synthétiques à haute résistance.

Dans les polymères renforcés de fibres (FRP), les matériaux fibreux populaires incluent :

Matériaux céramiques	Matériaux polymères
Fibres de verre	Fibre d'aramide (par exemple Kevlar)
Fibre de carbone	Fibre de polyéthylène à poids moléculaire ultra élevé (par exemple Spectra)

Pour plus d'informations sur le choix du matériau de renforcement, consultez le volume du catalogue matériel de renfort page.

Exemple de stratifié composite formé par empilement de plusieurs couches (plis) de fibre de carbone/époxy préimprégné matériau.

Matériau de la matrice

Lien vers la structure matricielle sur la page Structure matérielle dans les connaissances fondamentales

La fonction du composant de matrice est de lier les renforts, de faciliter le transfert de charge entre les renforts et de maintenir le matériau composite combiné dans la forme de pièce souhaitée. D'autres fonctions de la matrice incluent la protection de l'armature de l'environnement et, selon la forme de l'armature, le support de l'armature en compression (par exemple, l'armature fibreuse).

Caractéristiques souhaitables du matériau de la matrice :

• faible densité (pour matériau composite léger)
• résistance à l'environnement: chimique, résistant à l'humidité
• transformable : capable de s'écouler et d'entourer le matériau de renforcement pendant le processus de fabrication

Dans les polymères renforcés de fibres (FRP), le polymère constitue le constituant de la matrice. Tous les deux thermodurci et thermoplastique les polymères peuvent être utilisés comme matrices.

Exemples de matériaux à matrice polymère populaires :

Matériaux thermodurcissables	Matériaux thermoplastiques
Epoxy	Polypropylène (PP)
Ester de vinyle	Polyéther imide (PEI)
Polyester	Polyéther éther cétone (PEEK)

Pour plus d'informations sur les matériaux de matrice populaires, consultez le page de matrice de volume de catalogue.

Construction en stratifié

Les matériaux composites sont généralement construits en laminant ou en empilant des couches de matériau (lame) les unes sur les autres qui s'accumulent jusqu'à la structure de matériau souhaitée.

Lors de la construction de matériaux composites FRP utilisant de longs renforts en fibres continues, les feuilles du matériau en fibres de renforcement sont généralement empilées pour former une structure stratifiée - ce qui donne lieu aux termes couramment utilisés de stratifié composite et de superposition. En utilisant cette technique de construction stratifiée, les orientations des fibres peuvent être modifiées à chaque couche pour une gestion plus efficace de la charge mécanique à travers le matériau. Voir pour le Page Structure matérielle (volume Connaissances fondamentales) pour plus d'explications.

Conception et fabrication composites

Lien vers la page principale de conception et de fabrication de composites

Fabrication de composites pratique est motivé par la nécessité d'atteindre une qualité de fabrication souhaitée, qui à son tour est régie par la science de la fabrication. D'un côté, il existe la base de connaissances (science) qui définit « pourquoi » la qualité est telle qu'elle est. D'un autre côté, il y a la pratique de «comment» mettre en œuvre au mieux les processus de fabrication pour affecter la qualité d'une manière donnée. L'interconnexion et la compréhension de ces deux éléments sont importantes et constituent la base de spécialisées-réflexion pratique.

Sur le page de conception et de fabrication de composites, vous trouverez un aperçu général de la conception et de la fabrication des composites.

Traitement et fabrication de composites

Lien vers la page principale de fabrication de composites

Un processus de fabrication composite est un ensemble d'étapes de processus transformant les constituants de renforcement de la matière première et de la matrice de résine en un matériau composite combiné d'une forme et d'une géométrie de pièce souhaitées. Le traitement a un impact à la fois sur les propriétés finales du matériau et sur les performances des composants de la pièce qui en résultent. Il détermine également de manière cruciale le taux de production des composants associés et les coûts de production.

Pour des exemples de processus de fabrication de composites courants, voir ici (Fabrication de composites - Exemples de processus courants).

Dans le KPC, nous présentons une approche systématique pour définir le processus de fabrication. Plus précisément, nous promouvons l'idée qu'un processus n'est rien de plus qu'un ensemble d'équipements et d'outils utilisés pour effectuer une action spécifique (ou une étape de processus) sur la pièce ou le matériau. Par conséquent, le flux de travail de fabrication est dicté par les étapes effectuées par l'équipement et l'outillage.

Découvrez l'approche CKN Knowledge in Practice Center pour approche systémique des composites ici.

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Références

À propos	Aide

Matériaux d'ingénierie (conçus pour avoir des propriétés spécifiques) fabriqués à partir de deux ou plusieurs matériaux constitutifs ayant des propriétés physiques ou chimiques différentes. Les constituants restent séparés et distincts au niveau macroscopique au sein de la structure finie.

Les fibres de carbone sont composées de grandes feuilles aromatiques semblables à celles du graphite. Ces couches graphitiques forment les unités structurelles de base en forme de rubans. On pense que la structure du ruban de fibres de carbone est un agencement colonnaire de cristallites de graphite désorientés parallèles à la longueur du ruban. Les cristallites tétragonales idéalisées sont empilées les unes au-dessus des autres, avec une légère désorientation entre les cristaux dans la direction de l'axe de la fibre, emprisonnant des aiguilles pointues comme des vides, où les limites entre les piles représentent les régions désordonnées.

Pour les composites à matrice polymère (PMC), la résine fait référence à la matrice ; la phase matérielle continue qui lie le renfort ensemble, maintient la forme et transfère la charge. Les résines sont divisées en deux groupes principaux : les thermodurcissables et les thermoplastiques.

Acronyme de « polymère renforcé de fibres », autre terme utilisé pour désigner un matériau composite composé de fibres et de polymères. Ce terme est parfois étendu à « GFRP » ou « CFRP » pour « polymère renforcé de fibres de verre » ou « polymère renforcé de fibres de carbone », respectivement.

La phase continue du matériau qui lie le renfort ensemble, maintient sa forme, transfère la charge, protège le renfort de l'environnement et des dommages, et fournit le support composite en compression.

Caractéristiques souhaitables :

• Résistance à l'humidité/aux produits chimiques
• Faible densité
• Processabilité

Composites à matrice polymère (PMC).

Composites à matrice métallique (MMC).

Composites à Matrice Céramique (CMC).

Le matériau pré-imprégné (prepreg) fait référence à une fibre déjà combinée à de la résine. C'est la forme de matériau la plus couramment utilisée dans l'aérospatiale.

Pendant la production du préimprégné (par exemple, les fibres sont passées dans un bain de résine), le préimprégné est chauffé et partiellement durci au stade B (< 5 % de degré de durcissement). Les préimprégnés thermodurcissables (par exemple les préimprégnés époxy) doivent être conservés au congélateur à environ -20 °C. À température ambiante, l'époxy commence à durcir.

Les thermodurcissables sont une classe de polymères qui subissent une polymérisation et une réticulation pendant le durcissement à l'aide d'un agent durcissant et d'un chauffage ou d'un promoteur. Au départ, ils se comportent comme un fluide visqueux. Pendant le durcissement, ils passent d'un fluide visqueux à un gel caoutchouteux (matériau viscoélastique) et enfin à un solide vitreux.

S'ils sont chauffés après durcissement, ils deviennent initialement mous et caoutchouteux à des températures élevées. S'ils sont davantage chauffés, ils ne fondent pas mais se décomposent (brûlent)

Livré en deux parties : partie A (résine) et partie B (durcisseur). Lorsqu'il est mélangé, la réaction de durcissement commence et n'est pas réversible.

Les exemples incluent l'époxy ou le polyester.

Une classe de polymères, dont certains exemples courants incluent le polypropylène et le polyéthylène.

Ils ramollissent et fondent au chauffage (c'est-à-dire potentiellement recyclables), viscosité élevée à la fusion, donc fibres difficiles à saturer. Nécessite généralement beaucoup de pression et de chaleur pour être traité.

Toute activité de fabrication et/ou de prise de décision qui se produit à n'importe quelle étape du cycle de conception de développement (par exemple, de la conception à la production).

Dans le contexte des connaissances en pratique, la pratique fait référence à l'utilisation systématique des connaissances scientifiques pour réduire les risques, les coûts et le temps de développement des composites.

Dans le contexte des connaissances dans la pratique, les connaissances font référence à l'utilisation systématique des connaissances scientifiques dans la pratique de la fabrication de composites.

Il existe une distinction entre les connaissances fondées sur l'expérience et les connaissances fondées sur la science :

• Les connaissances basées sur l'expérience ("savoir-faire") sont une compréhension des résultats potentiels et de leurs relations qui est fondée sur le pragmatisme et l'expérience accumulée au fil du temps dans des programmes individuels, des entreprises et plus largement dans l'industrie.
• La connaissance basée sur la science (« savoir-pourquoi ») est une compréhension des résultats potentiels et de leurs relations, basée sur l'importante physique du traitement, qui est suffisamment mature pour être codifiée à l'aide des lois gouvernantes et des équations constitutives appropriées.