Il y a beaucoup de matière dans le monde. Une grande partie de cette matière est disponible sous forme de matériaux utilisables, qui peuvent être utilisés pour fabriquer des objets. Ces matériaux ont des propriétés variées, mais parfois, ces propriétés ne suffisent pas. Alors, que se passerait-il si nous combinions des matériaux pour obtenir le meilleur de chacun d'entre eux ? C'est ce qu'est un matériau composite.
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Équipe enseignants Matériaux Composites
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Envoyer des commentairesUn matériau composite est une combinaison de deux ou plusieurs matériaux, dont les propriétés physiques sont différentes de celles des matériaux dont il est constitué.
Les matériaux composites sont partout autour de toi :
Outre les matériaux composites, les céramiques sont également des matériaux fabriqués à partir d'une combinaison de deux matériaux ou plus. Sais-tu que le verre est un type de céramique ? Dans les prochaines sections, nous verrons quels sont les différents types de matériaux composites, comment ces matériaux sont fabriqués et quelles sont leurs applications
Les propriétés d'un matériau composite dépendent des matériaux qui le composent.La principale caractéristique des matériaux composites, cependant, est qu'il s'agit de matériaux qui sont une combinaison de deux ou plusieurs matériaux différents.
Dans un matériau composite, les matériaux constitutifs peuvent jouer un rôle parmi les deux suivants :
Le matériau de renforcement peut être un matériau fibreux ou des fragments de matériau. Le matériau de renforcement est réparti à travers le matériau liant.
Le matériau liant entoure le matériau de renforcement et le maintient en place.
Les différents matériaux sont choisis pour obtenir un produit qui peut être utilisé comme un seul matériau et qui possède les propriétés combinées des matériaux qui le composent. Mais les matériaux composites qui ont été appliqués et acceptés comme norme dans l'industrie ont tendance à avoir ces propriétés communes :
Les matériaux composites sont fabriqués pour obtenir un matériau qui peut présenter des propriétés supérieures à celles des matériaux d'origine. Ces combinaisons peuvent être réalisées selon les besoins afin que le matériau composite réponde aux exigences. En fonction du type de matériau de renforcement utilisé, les matériaux composites peuvent être classés en quatre catégories :
| Tableau 1. Catégories de matériaux composites | |
|---|---|
| Catégorie de matériaux composites | Détails |
| Matériaux composites renforcés de fibres | Matériaux composites dans lesquels le matériau de renforcement est une fibre enveloppée par une matrice qui est généralement une résine. |
| Matériaux composites renforcés par des particules | Le matériau de renforcement est dur et cassant, réparti dans une matrice qui est plus ductile et molle. |
| Composites durcis par dispersion | De très minuscules particules du matériau de renforcement sont dispersées dans une matrice. |
| Matériaux composites structurels | Les matériaux constitutifs sont généralement pris en sandwich à l'aide d'un matériau liant. Ex - Contreplaqué. |
En fonction de ces catégories, il existe de nombreux types de matériaux composites, dont certains sont énumérés ci-dessous -
| Tableau 2. Types courants de matériaux composites | ||
|---|---|---|
| Composite | Détails | Exemple |
| Panneau sandwich | Couches de matériaux empilées les unes sur les autres. | Contreplaqué |
| Mousses synthétiques | Métaux, plastiques ou céramiques remplis de micro-ballons de plastique ou de verre. | Modules de flottabilité pour les applications marines |
| Composite en nid d'abeille | Un matériau dans une structure en nid d'abeille avec un autre matériau rempli ou superposé. | Châssis automobile fabriqué à partir d'une monocoque en fibre de carbone. |
| Béton arm é | Béton renforcé par des barres d'acier ou de la fibre de verre. | Barres d'acier de construction |
| Composite à matrice métallique (MMC) | Fragments ou fibres de métal répartis à travers un matériau liant. | Pièces de moteurs et de freins automobiles |
| Composite à matrice céramique (CMC) | Fibres de céramique étalées à travers une matrice de céramique. | Turbineset moteurs à combustion interne |
| Polymère renforcé par des fibres | Fibres d'un matériau réparties dans une matrice de résine ou de plastique. | Polymère renforcé de fibres de carbone, fibre de verre. |
Ce ne sont là que quelques-uns des types de matériaux composites possibles. Comme nous l'avons vu précédemment, les matériaux peuvent être combinés dans n'importe quel assortiment, pour produire un matériau composite doté de n'importe quelle propriété. Par exemple, le papier plastifié est également un matériau composite. Il est plus durable que le papier normal, grâce au laminage du plastique. Tu peux le voir dans les cartes à jouer. Le papier mâché est aussi un matériau composite ! Le papier joue le rôle de matériau de renforcement qui est étalé à travers une matrice constituée d'un adhésif.
Masque en papier mâché | Photo by andreusK on Unsplash
Nous avons déjà mentionné quelques exemples de matériaux composites, mais nous allons examiner plus en profondeur une classe spécifique de ces matériaux : la céramique.
Les céramiques peuvent être considérées comme des matériaux composites lorsqu'elles sont constituées d'une matrice céramique renforcée par un matériau de remplissage. La matrice est généralement constituée d'un matériau céramique tel que le carbure de silicium ou l'alumine, tandis que le matériau d'apport peut être constitué d'une variété de substances telles que des fibres métalliques ou polymères.
Le matériau d'apport est ajouté pour améliorer les propriétés mécaniques de la céramique, telles que la ténacité, la solidité et la résistance à l'usure. Le matériau composite qui en résulte possède des propriétés supérieures à celles de la céramique pure. Les céramiques en tant que matériaux composites ont un large éventail d'applications, notamment dans les domaines de l'aérospatiale, de l'automobile et de l'ingénierie biomédicale.
L'argile est un minéral que l'on trouve dans la terre. Lorsque l'argile est humide, elle peut prendre n'importe quelle forme. Lorsque l'argile est chauffée dans un four, elle durcit. Les briques sont un exemple de céramique argileuse. Tu as peut-être aussi vu despots et des ustensiles en terre fabriqués en céramique argileuse.
Le verre trouve une grande variété d'utilisations dans notre vie quotidienne. Savais-tu que le composant clé du verre est le sable ? La composition chimique du verre est le dioxyde de silicium, dont le sable est fait. Le sable est mélangé à d'autres matériaux et chauffé à très haute température jusqu'à ce qu'il fonde. Lorsqu'il refroidit, les molécules s'organisent en une structure cristalline qui forme le verre. En fonction des matériaux qui sont mélangés au sable, le verre est de deux types :
Verre sodocalcique
La plupart des verres que tu rencontres sont des verres sodocalciques. Il est utilisé pour fabriquer des verres à boire, des bouteilles en verre, des fenêtres en verre et d'autres objets courants en verre. Le verre sodocalcique est fabriqué en mélangeant du sable avec du carbonate de sodium et du calcaire avant de le faire fondre. Lorsqu'il est refroidi, il peut être façonné selon les besoins. Le verre sodocalcique n'est pas bon pour le chauffage car il a un point de fusion relativement bas. C'est là que le verre borosilicaté est utile.
Verre borosilicaté
Le verre borosilicaté a un point de fusion plus élevé que le verre sodocalcique et est, par conséquent, utile pour le chauffage. Le verre borosilicaté est fabriqué en mélangeant du sable avec du trioxyde de bore (B2O3 ), puis en le faisant fondre. Les tubes à essai, les béchers et les autres équipements de laboratoire de chimie que tu utiliseras sont fabriqués en verre borosilicaté. Le verre borosilicaté est également utilisé pour fabriquer certains ustensiles de cuisine.
Plus tôt dans cet article, tu as lu que dans un matériau composite, le matériau de renforcement peut être un matériau fibreux ou des fragments d'un matériau, tandis que le matériau liant entoure le matériau de renforcement et le maintient en place. L'exemple du béton armé serait idéal pour mieux comprendre cela.
Le béton armé est utilisé dans la construction de bâtiments, de ponts et d'autres mégastructures de ce type. La prochaine fois que tu verras la construction d'un bâtiment en cours, remarque les longues tiges métalliques qui sortent des blocs de ciment.
Béton armé en acier | Étudiant en technologie
Ces tiges sont des tiges d'acier, qui renforcent le béton, et combinées, elles forment un matériau composite. Le béton armé est utilisé parce qu'il possède des propriétés que l'on ne trouve pas dans le ciment seul ou l'acier seul :
Parmi les composites à base de polymères renforcés de fibres, la fibre de carbone gagne rapidement en popularité car elle présente une résistance incroyable tout en étant extrêmement légère. Son utilisation s'est étendue des engins spatiaux à l'industrie automobile, en passant par les équipements sportifs et les produits de sécurité tels que les casques de vélo.
Un morceau de fibre de carbone tissée | Hiconsumption.com
Une hélice en composite de fibre de carbone Hiconsumption.com
Dans les composites à base de fibres de carbone, le matériau de renforcement est constitué de morceaux de fibres de carbone tissées d'une épaisseur de 5 à 10 micromètres (10-6 m). Le matériau de liaison est une résine époxy. La résine époxy est un liquide visqueux qui durcit lorsqu'il est exposé à la lumière ultraviolette (UV).
Malgré leurs solides avantages (notamment l'amélioration de leurs propriétés et de leur adaptabilité), les matériaux composites présentent également des inconvénients qui, dans certains cas, peuvent l'emporter sur leurs avantages.
| Tableau 3. Avantages et inconvénients des matériaux composites | |
|---|---|
| Avantages des matériaux composites | Inconvénients des matériaux composites |
| Rapport résistance/poids élevé | Le processus de fabrication est complexe et coûteux |
| Bonne résistance à la fatigue | Susceptibles d'être endommagés par les chocs et les concentrations de contraintes |
| Résistant à la corrosion | Difficile à réparer en cas d'endommagement |
| Propriétés personnalisées en fonction de l'application spécifique | Certains types de composites peuvent avoir des répercussions sur l'environnement |
| Stabilité dimensionnelle | Flexibilité de conception limitée par rapport aux matériaux traditionnels |
| Peut prendre des formes complexes | Disponibilité limitée des options de recyclage et d'élimination |
| Isolation électrique | Peut nécessiter un outillage spécialisé pour la production |
| Peut être conçu pour avoir une faible conductivité thermique | Le coût initial peut être plus élevé que celui des matériaux traditionnels. |
Pour mieux mettre en évidence les propriétés et les avantages des matériaux composites, examinons quelques autres matériaux tels que les polymères et les métaux. Cela permettra de souligner la différence entre les composites et les autres matériaux et l'importance d'utiliser les composites au lieu de ces matériaux.
Les polymères sont des substances composées de macromolécules.
Lesmacromolécules sont de très grosses molécules composées d'unités répétitives de molécules plus petites et plus simples.
Les matières plastiques sont les types de polymères les plus couramment utilisés. Le polyéthylène (plus connu sous le nom de polythène) est largement utilisé dans la fabrication des sacs de transport (poly-sacs). Le polyéthylène est constitué d'unités répétitives de C2H4 - la formule chimique du polyéthylène est (C2H4)n.
Feuille de polyéthylène utilisée comme emballage pour les aliments | Photo by Wicki58 onUnsplash
Les polymères peuvent être présents dans la nature ou être synthétiques. La cellulose, l'ADN, la laine et la soie sont des exemples de polymères naturels. Les polymères synthétiques comprennent le téflon, le nylon, le polyester et l'époxy.
Le téflon est utilisé comme revêtement antiadhésif sur les ustensiles. Le nylon est un thermoplastique issu du pétrole, généralement fabriqué sous forme de fibre, et utilisé pour fabriquer des vêtements, des ceintures de sécurité, des airbags, etc.
Les résines époxy sont utilisées comme matériau de liaison dans les matériaux composites renforcés de fibres tels que la fibre de carbone et la fibre de verre. Propriétés telles que :
Ces caractéristiques font des résines époxydes des matériaux candidats idéaux pour être utilisés comme liants dans les matériaux composites renforcés de fibres.
Les polymères constituent une vaste catégorie de matériaux dans laquelle il existe des matériaux aux propriétés très variées. Parmi tous les polymères, la résine époxy est un type de matériau polymère qui est utilisé dans la fabrication de matériaux composites renforcés de fibres.
Les métaux sont des substances élémentaires. Ils sont présents sous forme de minerais dans la terre et doivent être extraits avant d'être utilisés pour toute autre application. Les métaux sont cristallins lorsqu'ils sont solides. Ils sont tous de bons conducteurs d'électricité et de chaleur, sont lustrés (brillants) et très malléables. Les métaux sont utilisés comme matériaux à l'état pur (fer, cuivre, or, argent) ou sous forme d'alliages (acier, laiton, bronze, or blanc).
Rappelle que les alliages sont des mélanges de deux ou plusieurs matériaux.
Les métaux sont utilisés dans les matériaux composites soit comme matériau de renforcement, soit comme matériau de liaison.
Les mousses syntactiques et les matériaux composites à matrice métallique utilisent des métaux comme matériau de liaison ou comme matrice. Certaines mousses syntactiques ont une matrice métallique parsemée de micro-ballons de verre ou de plastique. D'autres mousses syntactiques utilisent des sphères métalliques comme matériau de renforcement dans une matrice d'époxy ou de polymère.
Mousse syntactique | Alchetron
Les composites à matrice métallique (MMC) sont une catégorie de matériaux composites qui utilisent des métaux comme matrice à travers laquelle des fibres ou des particules d'un matériau de renforcement sont réparties. Les composites à base d'aluminium sont surtout utilisés dans les secteurs de l'automobile, de l'aérospatiale et de la microélectronique. Les composites à base d'aluminium les plus courants sont les panneaux composites en aluminium (ACP).
Les plaques ACP sont composées de couches alternées de plaques d'aluminium collées à des plaques thermoplastiques. Les composites à base de titane offrent une résistance et une rigidité spécifiques plus élevées tout en étant nettement plus légers que les alliages de titane. Ils sont utilisés dans les systèmes de propulsion à réaction.
Couches de panneaux composites en aluminium | Panneaux composites sur mesure
Les alliages métalliques offrent de meilleures performances que leurs formes pures en termes de dureté, de rigidité, de résistance à la corrosion, etc. L'utilisation de métaux dans les matériaux composites offre bien plus d'avantages que les alliages car ils peuvent être plus légers tout en ayant de bien meilleures performances que les alliages et les métaux purs.
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