Cours no 13

Matériaux et techniques
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Matériau composite

Un matériau composite est la conjonction de plusieurs matériaux dans le but d’obtenir des propriétés supérieures à ce que l’on obtiendrait avec un seul matériau.
Pour compléter ces notes de cours, vous pouvez télécharger le « Glossaire des matériaux composites » du CARMA.

Exemples de matériau composite

Le torchis

Le torchis est un mélange de terre séchée et de paille. Individuellement, la terre et la paille ne pourraient servir à faire des murs. La combinaison de ces deux matériaux est une technique ancienne utilisée un peu partout dans le Monde pour réaliser des habitations.


Le polyester et la fibre de verre

C’est un mélange de fibre de verre enrobé de résine thermodurcissable en polyester. Le polyester est une matière plastique cassante et la fibre de verre n’a aucune rigidité. En conjonction, ces matériaux permettent de réaliser des surfaces solides qui peuvent encaisser des chocs. La majorité des embarcations de plaisance sont réalisées avec ce matériau composite


Béton armé

Il s’agit ici de renforcer le béton avec des armatures de métal. Le béton n’est pas suffisamment résistant pour être utilisé en tension. On ne peut donc pas réaliser de poutres en béton. Il est toutefois courant d’utiliser des poutres de béton armé.


Le plâtre et la filasse

Les pièces en plâtre de dimensions importantes (statue, colonne décorative, etc.) sont généralement renforcées avec divers matériaux, dont la filasse.


Vitrocéramique

C’est un mélange de silice (principal constituant du verre) avec une céramique (par exemple de l’alumine) afin de contrôler la dilatation thermique. Exposée à la chaleur, la céramique aura tendance à subir une expansion alors que la silice subira un retrait. L’ensemble des deux matériaux ne subira aucune dilatation ou aucun retrait quand il sera exposé à la chaleur.


Ski

Le ski (que ce soit un ski alpin ou un ski de fond) est un ensemble complexe de plusieurs matériaux. Pris individuellement, aucun des matériaux de cet ensemble ne pourrait servir à faire un ski performant. C’est l’union qui fait la force.

Phases

L’exemple du ski est complexe. Plutôt que de matériau composite, on peut dire que le ski est un assemblage de matériaux (dont des matériaux composites). Une autre façon d’envisager un matériau composite est de considérer comme tels des éléments constitués de deux phases :

La fonction de la matrice est de donner la forme à la pièce désirée et de transférer les contraintes mécaniques aux fibres. La fonction des fibres est de supporter les charges appliquées sur la pièce.

Questions

Identifiez, pour chacun des matériaux suivants, la matrice et le renfort :

La vitrocéramique est-elle un composite ? Pourquoi ?
Un ski est-il un matériau composite ? Pourquoi ?

Matériau composite à base de résine

Les matériaux composites qui seront abordés ici sont à base de résines thermodurcissables d’étoffes. Soulignons cependant qu’il est courant d’utiliser des matières thermoplastiques renforcées de fibres courtes non tissées. Généralement ces matières sont moulées de façon classique par injection.
Classées en ordre croissant de prix et de performance, les principales résines utilisées sont :

Lorsque le moulage par compression est utilisé, la résine phénolique est alors généralement préférée aux trois premières.
Les résines sont utilisées à titre de matrice et aussi comme revêtement de protection du produit. On parle alors d’enduit gélifié (gel coat en anglais).
Pour les renforts, on emploiera principalement :

Sous leurs formes courantes et à épaisseur égale, les fibres aramides ou de carbones peuvent couter de 10 à 20 fois plus cher que les fibres de verre qui en retour ont une densité plus importante (environ 35 % plus lourds). Les fibres aramides sont réputées pour leur forte résistance au choc. Les fibres de carbones ont un faible allongement à la rupture (environ 0,5 %). On les destine à des constructions rigides.


La pièce principale d’un casque militaire est composée d’une matrice de résine phénolique et de renfort de fibres aramides moulé par compression. Au moment de l’ébavurage, les fibres aramides, très tenaces, s’effilochent.

Étoffes

On distingue deux types d’étoffes :

Les mats sont des étoffes similaires au feutre dans lesquelles les fibres courtes sont disposées dans toutes les directions. On les utilise pour assurer une meilleure isotropie du matériau composite et comme couche de finition pour cacher la trame d’un tissu. Généralement les mats sont en fibre de verre. Certains procédés de fabrication nécessitent leurs emplois.

Les tissus sont utilisés pour des pièces demandant une forte résistance aux sollicitations mécaniques quand le procédé permet leurs utilisations. Les toiles (généralement appelé à tord « taffetas » dans ce domaine) seront utilisées pour leurs planéités. Les sergés ont une plus grande souplesse que les toiles et les satins (encore plus souples) seront utilisés pour leurs capacités à épouser une forme donnée. Ces deux derniers types de tissus ont aussi l’avantage sur la toile d’être moins sensibles à l’embuvage.

Il existe des armures unidirectionnelles (qui sont en fait des tissus dans lequel la trame est très espacée) dont l’objectif est de supporter une charge dans une direction donnée. On obtient alors un composite anisotrope qui pourrait servir de poutre par exemple.

Pour donner une étoffe épaisse, il est courant d’utiliser une superposition de plusieurs tissus.


En haut à gauche, armure unidirectionnelle de fibres de verre ; en haut à droite, sergé de fibres d’aramide ; en bas à gauche, toile de fibres de carbone ; en bas à droite, sergé de fibres de carbone et de fibres aramides.

Procédé de fabrication

Il existe une grande variété de procédés de fabrication. Le procédé de moulage par compression est utilisé pour la réalisation de certaines pièces (comme les casques militaires). Il existe aussi des procédés à partir de préimprégné ((Sheet Moulding Compound) similaire au moulage par compression.
Le procédé de fabrication le plus classique est le moulage au contact. Les pièces fabriquées à partir de ce procédé n’ont pas de limites dimensionnelles. C’est pourquoi les bateaux sont souvent réalisés par ce procédé.


Kayak, réalisé à partir du procédé de moulage au contact. Produit de démonstration de la compagnie JB Martin Limitée.

Moulage au contact