Les matériaux composites sont le résultat de la combinaison de deux ou plusieurs matériaux de base. La combinaison des matériaux permet d’obtenir de meilleures propriétés mécaniques que les matériaux de base seuls. Typiquement, les composites sont constitués d’un renfort (comme des fibres de verre, de carbone ou d’aramide) et d’une matrice (comme une résine plastique) dans laquelle les fibres sont noyées. Le plastique renforcé de fibres de carbone (PRFC) est un type spécifique de matériau composite dans lequel des fibres de carbone sont utilisées comme renfort. Cette combinaison est considérée comme un exemple de composite très performant.
Les composites sont classés, entre autres, en fonction de leur composition. Il existe des composites avec des particules, des fibres courtes et des fibres continues. Le choix du type influence les propriétés mécaniques : d’une part la rigidité (« degré de déformation sous une charge donnée ») et d’autre part la résistance (« valeur limite de la charge à laquelle un matériau cède »).
La rigidité à la flexion des PRFC dépend en grande partie du type de fibres utilisées. Les composites à fibres continues offrent généralement la meilleure combinaison de rigidité et de résistance. En comparaison, les composites contenant des particules ou des fibres courtes sont moins rigides et moins résistants, ce qui les rend moins adaptés aux applications soumises à de fortes contraintes.
Les fibres de renfort les plus courantes sont le carbone, le verre, l’aramide et les fibres naturelles. Les fibres de carbone sont particulièrement connues pour leurs propriétés mécaniques élevées par rapport à leur faible densité. Elles sont divisées en sous-catégories telles que haute résistance (HT), intermédiaire (IM), haute rigidité (HM) et ultra-rigide (UHM).
⦁ carbone
⦁ verre
⦁ aramide
⦁ fibres naturelles
⦁ High Tension HT (haute-résistance)
⦁ Intermediate IM (intermédiaire)
⦁ High Modulus HM (haute-résistance)
⦁ Ultrahigh Modulus UHM (ultra-résistance)
En principe, on distingue les « fibres continues » des « fibres courtes (coupées) » dans les fibres de renforcement.
Selon l’application et l’état de charge du composant, les fibres continues d’une couche peuvent être toutes orientées parallèlement (unidirectionnelles ou UD) ou tissées en un tissu textile. Lorsque plusieurs couches UD sont superposées dans des orientations différentes (orientation angulaire), on parle également de tissus multiaxiaux.
En revanche, les fibres coupées sont utilisées comme fibres courtes (0,5 à 2 mm) dans les masses de moulage par injection en tant que renfort ou comme « fibres longues » (10-50 mm) dans les nappes de fibres ou les non-tissés.
Une fibre individuelle – également appelée filament – est plus fine qu’un cheveu humain, avec un diamètre d’environ 10 micromètres.
Les composants en PRFC fortement sollicités sont fabriqués à partir de plusieurs couches de fibres de carbone noyées dans une matrice plastique. La structure des couches peut être conçue individuellement afin d’obtenir des propriétés mécaniques spécifiques. L’orientation des fibres dans chaque couche joue un rôle crucial dans la performance dans une direction de charge donnée.
Le principe des stratifiés et l’importance de l’orientation des fibres sont illustrés dans la figure ci-dessous :
La combinaison de différents angles de fibres donne différentes propriétés aux stratifiés (structure de couches différentes).
La densité du PRFC est typiquement d’environ 1,55 à 1,65 g/cm³, ce qui est nettement inférieur à celle des métaux comme l’acier ou l’aluminium. La rigidité du PRFC est de l’ordre de 50 à 150 GPa, en fonction de la structure des couches, de l’orientation des fibres et du processus de fabrication. La résistance à la traction dans le sens des fibres se situe approximativement dans une fourchette de 1500 à 2000 MPa, ce qui fait du PRFC l’un des matériaux les plus solides disponibles par rapport à sa faible densité.
Les composites, en particulier les PRFC, offrent de nombreux avantages :
Les composites sont utilisés dans un grand nombre de secteurs, notamment l’aéronautique, l’automobile, le sport automobile, la médecine, l’énergie et le sport. Le PRFC en particulier est utilisé dans les domaines où une grande résistance est requise pour un faible poids.
⦁ Aéronautique – fabricants d ‘avions et de drones
⦁ Espace – fusées, satellites, véhicules spatiaux, télescopes spatiaux
⦁ Sports mécaniques – Formule 1 et autres catégories de courses, y compris les motos
⦁ Automobile – Véhicules GT, voitures super-sport, véhicules haut de gamme
⦁ Médecine – produits radiotransparents, produits cliniques mais légers
⦁ Automatisation – bras robotisés, composants à mouvement ou rotation rapide
⦁ Pétrole & gaz – pipelines, réservoirs, citernes
⦁ Énergie – pales de rotors d’éoliennes, réservoirs haute pression (entre autres).entre autres réservoirs d’hydrogène)
⦁ Marine & Yacht – voiliers, yachts de course, yachts de luxe
⦁ Sports & Loisirs – vélos, planches de surf, raquettes de tennis & de golf, cannes à pêche
Les polymères utilisés dans les composites sont en principe inflammables. Pour garantir la résistance au feu, des additifs ou des revêtements spéciaux sont utilisés. Les normes UL 94 classent la résistance à la flamme de ces matériaux. Pour les applications extrêmes, des combinaisons d’additifs et de revêtements peuvent être utiles.
⦁ Composition chimique : les polymères sont constitués de chaînes d’hydrocarbures. En cas d’incendie, ils s’enflamment facilement, produisant beaucoup de chaleur, de flammes et de fumée.
⦁ Différentes fibres : les fibres synthétiques telles que le verre, le carbone ou la céramique sont difficilement inflammables, tandis que les fibres naturelles sont très combustibles.
Deux stratégies de protection contre l’incendie :
⦁ Les additifs dans la matrice polymère, comme l’hydroxyde d’aluminium, réduisent l’inflammabilité.
⦁ Les revêtements ignifuges à la surface des composants, souvent intumescents, protègent efficacement.
⦁ Disponibilité : il existe de nombreux additifs et résines ignifuges qui ont été testés et qui conviennent à diverses applications.
⦁ Coût : les revêtements ignifuges ont tendance à être plus chers, mais ils offrent une protection maximale lorsqu’ils sont combinés avec des additifs.
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