L’utilisation moderne des matériaux composites dans la fabrication n’est pas nouvelle, s’étendant sur plusieurs décennies, remontant aussi loin que le début des années 1960. Et avant cela, la combinaison de fibres avec une matrice liquide a été employée dans une variété d’applications, allant de l’éprouvée boue et paille séchées (briques d’adobe) à un concept de voiture développé par Ford Motor Co. (Detroit, Michigan, États-Unis) en 1941 qui présentait des panneaux de carrosserie fabriqués avec des composites renforcés de fibres naturelles.
Malgré cela, par rapport aux matériaux hérités comme l’acier, l’aluminium, le fer et le titane, les composites sont encore en pleine maturité, et ce n’est que maintenant qu’ils sont mieux compris par les ingénieurs de conception et de fabrication. En outre, les composites sont entravés par leur nature non isotrope, ce qui les rend difficiles à modéliser et à simuler. Cependant, les propriétés physiques des composites – combinées à une légèreté imbattable – les rendent indéniablement attrayants.
Pour le novice en matière de composites, heureusement, il y a de l’espoir, et il réside dans le fait que ces matériaux peuvent être facilement compris et appliqués. Ce qui suit est une introduction aux fibres et aux résines généralement utilisées dans la fabrication des composites.
Propriétés gagnantes
La résistance élevée et le faible poids restent la combinaison gagnante qui propulse les matériaux composites dans de nouvelles arènes, mais d’autres propriétés sont tout aussi importantes. Les matériaux composites offrent un bon amortissement des vibrations et un faible coefficient de dilatation thermique (CTE), des caractéristiques qui peuvent être conçues pour des applications spécialisées. Les composites sont résistants à la fatigue et offrent une souplesse de conception/fabrication qui peut réduire considérablement le nombre de pièces nécessaires à des applications spécifiques – ce qui se traduit par un produit fini nécessitant moins de matières premières, moins de joints et de fixations et un temps d’assemblage plus court. Les composites ont également prouvé leur résistance aux températures extrêmes, à la corrosion et à l’usure, en particulier dans les environnements industriels, où ces propriétés contribuent largement à réduire les coûts du cycle de vie des produits. Ces caractéristiques ont permis aux composites d’être largement utilisés. La pression en faveur de l’économie de carburant et de l’efficacité, par exemple, a fait de l’allègement une priorité dans presque tous les modes de transport mécanique, des bicyclettes aux gros avions commerciaux.
Depuis le 787 Dreams de The Boeing Co, États-Unis) 787 Dreamliner – 50 % de composites en poids et 100 % de composites sur ses surfaces aérodynamiques – est entré en production et, en décembre 2009, a effectué avec succès son premier vol, les composites ont gagné leur place dans les structures aérospatiales primaires et secondaires et ont trouvé une plus grande place à l’intérieur des avions dans le monde aérospatial. Le 787 a depuis été rejoint sur le devant de la scène mondiale par d’autres avions à forte intensité de composites de son rival en matière d’avions de transport commercial, Airbus (Toulouse, France) et d’autres. Le premier Airbus A350 XWB, composé à 52 % de matériaux composites, a été livré à l’aube de 2015. Airbus avait déjà intégré des matériaux composites dans son superjumbo A380 et dans son avion de transport militaire A400M. Ces quatre programmes sont l’accomplissement actuel d’une transformation attendue depuis longtemps, qui a également envahi le marché des avions d’aviation générale et qui fait partie depuis longtemps de la fabrication des avions militaires. Disponibles sous des formes de matériaux de plus en plus diversifiées, et pouvant être fabriqués par un large éventail de procédés de moulage et de formage – ont pris ou sont sur le point de prendre la vedette dans les arènes de fabrication du monde entier.
Un matériau définitivement différent
Les composites diffèrent des matériaux traditionnels en ce que les pièces composites comprennent deux composants nettement différents – des fibres et un matériau de matrice (le plus souvent, une résine polymère) – qui, lorsqu’ils sont combinés, restent discrets mais fonctionnent de manière interactive pour constituer un nouveau matériau, dont les propriétés ne peuvent être prédites par la simple addition des propriétés de ses composants. En fait, l’un des principaux avantages de la combinaison fibre/résine est sa nature complémentaire. Les fibres de verre minces, par exemple, présentent une résistance à la traction relativement élevée, mais sont susceptibles d’être endommagées. En revanche, la plupart des résines polymères ont une faible résistance à la traction mais sont extrêmement résistantes et malléables. Lorsqu’elles sont combinées, cependant, la fibre et la résine contrebalancent chacune la faiblesse de l’autre, produisant un matériau bien plus utile que chacun de ses composants individuels.
Les propriétés structurelles des matériaux composites proviennent principalement du renforcement par les fibres. Les composites commerciaux destinés aux grands marchés, tels que les composants automobiles, les bateaux, les biens de consommation et les pièces industrielles résistantes à la corrosion, sont souvent constitués de fibres de verre discontinues, orientées de manière aléatoire, ou de formes de fibres continues mais non orientées. Les composites avancés, initialement développés pour le marché de l’aérospatiale militaire, offrent des performances supérieures à celles des métaux structurels classiques et trouvent maintenant des applications dans les satellites de communication, les avions, les articles de sport, les transports, l’industrie lourde et dans le secteur de l’énergie pour l’exploration pétrolière et gazière et la construction d’éoliennes.
Les composites à haute performance tirent leurs propriétés structurelles d’un renforcement en fibres continues, orientées et à haute résistance – le plus souvent du carbone, de l’aramide ou du verre – dans une matrice qui favorise la facilité de traitement et améliore les propriétés mécaniques, telles que la rigidité et la résistance chimique.
L’orientation des fibres peut être contrôlée, un facteur qui peut améliorer les performances dans n’importe quelle application. Dans les manches de clubs de golf composites, par exemple, les fibres de bore et de carbone orientées à différents angles dans le manche composite lui permettent de tirer le meilleur parti de leurs propriétés de résistance et de rigidité et de résister à des charges de couple et à de multiples forces de flexion, de compression et de traction.
Une matrice peut être polymère, céramique ou métallique. Les matrices polymères les plus utilisées pour les composites dans les applications commerciales et aérospatiales à haute performance sont des résines thermodurcissables, constituées de chaînes de polymères qui sont durcies de façon permanente en un réseau réticulé lorsqu’elles sont mélangées avec un catalyseur, exposées à la chaleur, ou les deux. Le durcissement se produit généralement dans des conditions de température et/ou de pression élevées dans un four et/ou un sac à vide ou dans un autoclave. Les technologies de durcissement alternatives mais moins utilisées comprennent les procédés à faisceau d’électrons, à rayonnement ultraviolet (UV), à rayons X et à micro-ondes.
L’autre type de matrice le plus couramment utilisé est la résine thermoplastique (TP), qui s’avère une option de plus en plus populaire pour les fabricants de composites. Les chaînes de polymères linéaires thermoplastiques sont formées et peuvent être reformées en solides façonnés en faisant fondre ou en ramollissant puis en refroidissant le matériau. Souvent vendus sous forme de feuilles ou de panneaux, les thermoplastiques peuvent être transformés par des techniques de consolidation in situ, telles que le simple formage à la presse pour fabriquer des pièces résistantes, de forme quasi nette, sans la cure en autoclave ou sous vide requise par les thermodurcissables. La reformabilité des TP offre la possibilité de corriger des anomalies ou de réparer des dommages en service.
Fibres de verre
La grande majorité de toutes les fibres utilisées dans l’industrie des composites sont en verre. Les fibres de verre sont le renfort le plus ancien et le plus courant utilisé dans la plupart des applications du marché final (l’industrie aérospatiale est une exception notable) pour remplacer des pièces métalliques plus lourdes. La fibre de verre pèse plus lourd que le deuxième renfort le plus courant, la fibre de carbone, et n’est pas aussi rigide, mais elle est plus résistante aux chocs et a un meilleur allongement à la rupture (c’est-à-dire qu’elle s’allonge davantage avant de se rompre). En fonction du type de verre, du diamètre du filament, de la chimie du revêtement (appelée « dimensionnement ») et de la forme de la fibre, il est possible d’obtenir une large gamme de propriétés et de niveaux de performance.
Les filaments de verre sont fournis en faisceaux appelés torons. Un toron est un ensemble de filaments de verre continus. Le roving désigne généralement un faisceau de brins non tordus, emballés, comme du fil, sur une grande bobine. Le roving à une extrémité est composé de brins constitués de filaments de verre multiples et continus sur toute la longueur du brin. Les mèches à bouts multiples contiennent des brins longs mais pas entièrement continus, qui sont ajoutés ou abandonnés de manière échelonnée au cours du processus de bobinage. Le fil est une collection de brins qui sont tordus ensemble.
Fibres à haute performance
Les fibres à haute performance utilisées dans les composites avancés comprennent la fibre de carbone, la fibre d’aramide, (connue sous les noms commerciaux Kevlar et Twaron), les fibres de bore, le polyéthylène (PE) à module élevé, des fibres plus récentes telles que le poly p-phénylène-2,6-benzobisoxazole (PBO), ainsi que des combinaisons hybrides. Le Kevlar est un produit de DuPont Protection Technologies (Richmond, VA, États-Unis). Les fibres Twaron sont produites par Teijin (Arnhem, Pays-Bas).
La fibre de carbone – de loin la fibre la plus utilisée dans les applications à haute performance – est produite à partir de divers précurseurs, notamment le polyacrylonitrile (PAN), la rayonne et le brai. Les fibres précurseurs sont traitées chimiquement, chauffées et étirées, puis carbonisées, pour créer les fibres à haute résistance. Les premières fibres de carbone haute performance sur le marché étaient fabriquées à partir de précurseur de rayonne. Aujourd’hui, les fibres à base de PAN et de brai ont remplacé les fibres à base de rayonne dans la plupart des applications. Les fibres de carbone à base de PAN sont les plus polyvalentes et les plus utilisées. Elles offrent une gamme étonnante de propriétés, notamment une excellente résistance – jusqu’à 1 000 ksi – et une grande rigidité. Les fibres de brai, fabriquées à partir de brai de pétrole ou de goudron de houille, présentent une rigidité élevée à extrêmement élevée et un coefficient de dilatation thermique (CDT) axial faible à négatif. Leurs propriétés de CTE sont particulièrement utiles dans les applications spatiales qui nécessitent une gestion thermique, comme les boîtiers d’instruments électroniques. Les propriétés de la fibre de carbone stimulent la recherche de matériaux précurseurs alternatifs et moins coûteux, comme la lignine, qui est dérivée de déchets de pâte et de papier. Si les efforts de recherche gagnent du terrain, ces matériaux fibreux à faible coût ont encore beaucoup de chemin à parcourir pour devenir des choix de renforcement commerciaux viables.
Bien qu’elles soient plus solides que les fibres de verre ou d’aramide, les fibres de carbone sont non seulement moins résistantes aux chocs, mais elles peuvent également subir une corrosion galvanique au contact du métal. Les fabricants surmontent ce dernier problème en utilisant un matériau barrière ou une couche de voile – souvent de la fibre de verre/époxy – pendant la stratification.
La forme de base de la fibre de carbone haute performance est constituée de faisceaux de fibres continues appelées câbles. Un câble de fibre de carbone est constitué de milliers de filaments continus, non tordus, le nombre de filaments étant désigné par un nombre suivi de « K », indiquant une multiplication par 1 000 (par exemple, 12K indique un nombre de filaments de 12 000). Les étoupes peuvent être utilisées directement, dans des procédés tels que le bobinage de filaments ou la pultrusion, ou peuvent être converties en ruban unidirectionnel, en tissu et en d’autres formes de renforcement.
Les fibres d’aramide, formées à partir de polyamide aromatique, offrent une résistance exceptionnelle aux chocs et un bon allongement (supérieur à celui du carbone, mais inférieur à celui du verre). La fibre d’aramide standard et haute performance a un module d’environ 20 Msi, une résistance à la traction d’environ 500 ksi et un allongement de près de 3 %. Réputée pour ses performances dans les gilets pare-balles et autres applications balistiques et de blindage, la fibre d’aramide a été demandée en partie en raison du besoin de protection du personnel et de blindage sur les marchés militaires et de maintien de l’ordre. Les propriétés de l’aramide font également de cette fibre un excellent choix pour les pales de rotor d’hélicoptère, les coques de navires et les articles de sport où la résistance aux chocs est souhaitée.
Les fibres de bore sont cinq fois plus solides et deux fois plus rigides que l’acier. Le bore apporte force, rigidité et légèreté, et possède d’excellentes propriétés de compression et de résistance au flambage. Les utilisations des composites de bore vont des articles de sport, tels que les cannes à pêche, les manches de club de golf, les skis et les cadres de bicyclette, aux applications aérospatiales aussi variées que les peaux d’empennage d’avion, les membres de la poutrelle et les rustines de réparation d’avion préfabriquées.
Le coût élevé des fibres à haute performance peut être un facteur dissuasif pour leur sélection, si les fabricants négligent d’examiner comment ce coût élevé est atténué par une plus grande performance, durabilité et liberté de conception que ces matériaux apportent à un projet et les effets positifs conséquents que ces avantages ont sur une mesure clé : le coût du cycle de vie. Cela est particulièrement vrai pour la fibre de carbone, dont la sélection a, historiquement, été compliquée par des fluctuations importantes de l’offre et de la demande de fibre de carbone.
Résines thermodurcies
Les polymères les plus largement utilisés dans les composites sont des thermodurcies, une classe de résines plastiques qui, lorsqu’elles sont durcies par des moyens thermiques et/ou chimiques (catalyseur ou promoteur) ou autres, deviennent sensiblement infusibles et insolubles. Après le durcissement, un thermodurcissable ne peut pas être ramené à son état non durci. Bien que presque tous les thermodurcissables utilisés commercialement aujourd’hui soient dérivés de matières premières pétrolières, la R&D et la commercialisation sont en cours dans le domaine croissant des bio-résines. Développées principalement dans le but d’utiliser des matières premières agricoles renouvelables, les bio-résines comprennent, dans des proportions variables, du polyol (issu du soja) et de l’éthanol (issu du maïs).
Les résines polyester insaturées sont les thermodurcissables les plus utilisés dans les applications commerciales de production de masse, grâce à leur facilité de manipulation, leur bon équilibre de propriétés mécaniques, électriques et chimiques, et leur coût relativement faible. (Les polyesters saturés sont des polymères thermoplastiques.) Généralement associés à des renforts en fibres de verre, les polyesters s’adaptent bien à toute une série de procédés de fabrication et sont le plus souvent utilisés pour la pulvérisation en moule ouvert, le moulage par compression, le moulage par transfert de résine (RTM) et le moulage. Les propriétés des formulations de polyester peuvent être modifiées pour répondre à des critères de performance spécifiques, en fonction de la sélection des éléments glycoliques et acides et des monomères réactifs (le plus souvent, le styrène). Le styrène est ajouté en quantités allant jusqu’à 50 % pour réduire la viscosité, ce qui rend la résine plus facile à manipuler et à mettre en œuvre.
Les résines d’ester vinylique offrent un pont entre les polyesters moins coûteux, à durcissement rapide et faciles à mettre en œuvre, et les résines époxy plus performantes (décrites ci-dessous). Leur structure moléculaire est très similaire à celle du polyester, mais ils ne possèdent des sites réactifs qu’aux extrémités des chaînes moléculaires et comportent moins de groupes esters. Les groupes esters étant sensibles à l’hydrolyse, le fait d’en avoir moins augmente la résistance des esters vinyliques à l’eau et aux environnements chimiquement corrosifs, ce qui explique en partie leur prix plus élevé. Les esters vinyliques sont privilégiés dans les réservoirs chimiques et d’autres applications pour lesquelles la résistance à la corrosion est un objectif clé, et ils apportent également une valeur ajoutée dans les stratifiés structurels qui nécessitent un haut degré de résistance à l’humidité (comme les coques et les ponts de bateaux). Ils sont traités et durcissent de manière similaire aux polyesters, avec la possibilité d’offrir une meilleure ténacité, bien que cela nécessite généralement une température élevée après le durcissement.
Pour les matrices composites avancées, les thermodurcissables les plus courants sont les époxydes, les phénoliques, les esters de cyanate (CE), les bismaléimides (BMI), les benzoxazines et les polyimides.
Les résines époxy contribuent à la solidité, à la durabilité et à la résistance chimique d’un composite. Elles offrent des performances élevées à des températures élevées, avec des températures de service à chaud/humide allant jusqu’à 121°C. Les époxys se présentent sous forme liquide, solide et semi-solide et durcissent généralement par réaction avec des amines ou des anhydrides. Les époxys ne sont pas durcis à l’aide d’un catalyseur, comme les résines polyester, mais à l’aide d’un durcisseur (également appelé agent de durcissement). Le durcisseur (partie B) et la résine de base (partie A) réagissent ensemble dans une « réaction d’addition », selon un rapport fixe. Il est donc essentiel d’utiliser le bon rapport de mélange résine/durcisseur afin de garantir une réaction complète. Sinon, la résine ne durcira pas complètement et n’atteindra pas toutes ses propriétés. L’époxy durci – avec des thermoplastiques et des composés de caoutchouc réactifs ajoutés pour contrer la fragilité due au haut degré de réticulation – est devenu la norme dans les cellules composites à haut pourcentage, telles que le 787 Dreamliner de The Boeing Co. et l’Airbus A350 XWB.
Les résines phénoliques sont basées sur une combinaison d’un alcool aromatique et d’un aldéhyde, tel que le phénol, combiné à du formaldéhyde. Elles trouvent une application dans les panneaux intérieurs d’avions résistants aux flammes et dans les marchés commerciaux qui exigent des produits peu coûteux, résistants aux flammes et à faible émission de fumée. L’excellent rendement de carbonisation et les caractéristiques ablatives (absorption de la chaleur) ont fait des phénoliques les favoris de longue date pour les applications ablatives et les tuyères de fusée. Ils ont également fait leurs preuves dans des applications non aérospatiales, notamment dans les composants des plates-formes pétrolières et gazières offshore, ainsi que dans les transports en commun et les applications électroniques. Cependant, les phénoliques polymérisent au moyen d’une réaction de condensation, ce qui entraîne le dégagement de vapeur d’eau et de formaldéhyde pendant la polymérisation. Ce phénomène peut produire des vides dans le composite. Par conséquent, les propriétés mécaniques des phénoliques sont un peu plus faibles que celles des époxydes et de la plupart des autres résines hautes performances.
Les esters de cyanate (EC) sont des matrices polyvalentes qui offrent une excellente résistance et ténacité, permettent une très faible absorption d’humidité et possèdent des propriétés électriques supérieures à celles d’autres matrices polymères, bien que ces avantages aient un coût plus élevé. Les CE présentent des températures de service à chaud et à l’état humide allant jusqu’à 149°C et sont généralement renforcés par des thermoplastiques ou des particules de caoutchouc sphériques. Leur traitement est similaire à celui des époxydes, mais leur processus de durcissement est plus simple, grâce au profil de viscosité des CE et aux volatiles nominaux. Les applications actuelles vont des radômes, antennes, missiles et ablatifs à la microélectronique et aux produits micro-ondes.
Parmi les résines les plus exotiques, les bismaléimides et les polyimides (proches parents, chimiquement) sont utilisés dans des applications à haute température sur les avions et les missiles (par exemple, pour les composants de nacelle de moteur à réaction). Les BMI offrent des températures de service chaudes/mouillées (jusqu’à 232°C), tandis que certains polyimides peuvent être utilisés jusqu’à 371°C pendant de courtes périodes. Les volatiles et l’humidité émis pendant la polymérisation rendent les polyimides plus difficiles à travailler que les époxydes ou les CE ; des techniques spéciales de formulation et de traitement ont été développées pour réduire ou éliminer les vides et la délamination. Les BMI et les polyimides ont traditionnellement présenté une absorption d’humidité plus élevée et des valeurs de ténacité plus faibles que les CE et les époxies, mais des progrès significatifs ont été réalisés ces dernières années pour créer des formulations plus résistantes, et les BMI sont maintenant présentés comme ayant une meilleure résistance à la pénétration des fluides que les époxies. L’utilisation accrue des BMI n’est pas seulement motivée par l’outillage et les applications où les températures de service dépassent 177°C, mais aussi par l’utilisation croissante des composites dans les structures qui nécessitent une amélioration des performances à chaud/humide et en compression à trou ouvert (OHC) à des températures modérées, par exemple de 80°C à 120°C. C’est la raison pour laquelle une grande partie de ces BMI sont utilisés dans les applications de fabrication de pièces en plastique. C’est la raison qui explique une grande partie de son utilisation sur l’avion de combat F-35 Lightning II, permettant des structures tolérantes aux dommages à une masse plus faible par rapport à l’époxy.
Résines thermoplastiques
Contrairement aux thermodurcissables à réticulation, dont la réaction de durcissement ne peut être inversée, les thermoplastiques durcissent lorsqu’ils sont refroidis mais conservent leur plasticité, c’est-à-dire qu’ils refondent et peuvent être remis en forme en les réchauffant au-dessus de leur température de transformation. Les matrices thermoplastiques moins coûteuses offrent des températures de transformation plus basses mais ont également des températures d’utilisation limitées. Elles puisent dans le menu des plastiques techniques et de base, tels que le polyéthylène (PE), le polyéthylène téréphtalate (PET), le polybutylène téréphtalate (PBT), le polycarbonate (PC), l’acrylonitrile butadiène styrène (ABS), le polyamide (PA ou nylon) et le polypropylène (PP). Les produits commerciaux de grand volume, tels que les chaussures de sport, les orthèses et les prothèses médicales, bénéficient de la ténacité et de la résistance à l’humidité de ces résines, tout comme les collecteurs d’admission d’air des automobiles et d’autres pièces sous le capot.
Les résines thermoplastiques à haute performance – polyétheréthercétone (PEEK), polyéthercétone (PEK), polyamide-imide (PAI), polyarylsulfone (PAS), polyétherimide (PEI), polyéthersulfone (PES), polyphénylène sulfure (PPS) et polymère à cristaux liquides (LCP) – fonctionnent bien dans les environnements à haute température et, une fois durcies, n’absorbent pas l’eau et ne se dégradent pas lorsqu’elles sont exposées à l’humidité. Renforcées par des fibres hautes performances, ces résines présentent une longue durée de conservation des préimprégnés sans réfrigération et possèdent des propriétés exceptionnelles de résistance aux chocs et d’amortissement des vibrations. Elles offrent également la possibilité d’utiliser du contenu recyclé et de faciliter le recyclage des déchets et des structures en fin de vie.
Cependant, elles peuvent présenter aux fabricants de composites certains défis de traitement en raison de leur viscosité relativement élevée. Les composites thermoplastiques renforcés qui comportent des résines plus performantes comme matrices font des percées dans les applications aérospatiales.
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