8 t e c h n o l o g i e 1 6 5 j a n v i e r - f é v r i e r 2 0 1 0 j a n v i e r - f é v r i e r 2 0 1 0 t e c h n o l o g i e 1 6 5 98 t e c h n o l o g i e 1 6 5 j a n v i e r - f é v r i e r 2 0 1 0 j a n v i e r - f é v r i e r 2 0 1 0 t e c h n o l o g i e 1 6 5 9

es matériaux composites font partie de la famille des matériaux de synthèse 1 . Si leur histoire est

encore bien courte, plus d’une dou-zaine de procédés de mise en œuvre ont déjà été développés – plus que de grandes techniques de transforma-tion des métaux au cours des deux cents dernières années. Mais, com-parée aux 18 millions de tonnes de métaux ouvrées chaque années, les 300 000 à 350 000 tonnes de pro-duits composites finis ne pèsent pas encore bien lourd.

Les composites disposent pourtant d’atouts importants par rapport aux matériaux traditionnels. Ils apportent de nombreux avantages fonctionnels : légèreté 2 , résistance mécanique et chimique, maintenance réduite, liberté de formes… Ils permettent d’aug-menter la durée de vie de certains équipements grâce à leurs propriétés mécaniques et chimiques et contribuent au renforcement de la sécurité grâce à une meilleure tenue aux chocs et au feu. Ils offrent une meilleure isolation thermique ou phonique et, pour cer-tains d’entre eux, une bonne isolation électrique. Ils enrichissent aussi les possibilités de conception (voir « Les logiciels de conception » en encadré ci-contre), en permettant d’alléger des structures et de réaliser des formes complexes, aptes à remplir plusieurs fonctions.

cissent au cours du refroidissement. La transformation est réversible. Les principales résines thermoplastiques utilisées dans les composites sont le polypropylène (PP), les polyamides (PA) 6, 6-6, 12 et le polyéther-éther-cétone (PEEK).

La structure de renfortConstitués de fibres, généralement de verre, de carbone, d’aramide (aromatique polyamide) ou de fibres naturelles (lin, chanvre, sisal), les renforts contribuent à améliorer la résistance mécanique et la rigidité des matériaux composites 4 . Ils se présentent sous forme filamentaire, allant de la parti-cule de forme allongée à la fibre conti-nue qui donne au matériau un effet de résistance orientée. Les fibres courtes peuvent être soit séparées soit agglo-mérées sous forme de mâts ; les fibres continues, non travaillées (sous forme de mâts) ou travaillées (tissées, tres-sées) pour obtenir des structures complexes telles que les toiles ou le taffetas. Il faut jouer sur la texture des renforts (leur architecture) pour créer une charpente résistante adaptée aux contraintes mécaniques.

l Les fibres de verreObtenues à partir de silice et d’addi-tifs, les fibres de verre sont les plus connus des nombreux types de ren-forts 5 . Suivant les applications aux-quelles elles sont destinées, elles sont réparties en trois qualités 6 :

Leur compositionLes matériaux composites sont prin-cipalement constitués d’une matrice, d’une structure de renfort et d’ad-ditifs.

La matriceIl existe différents types de matrices 3 , les plus courantes étant les matrices organiques, constituées de résine thermoplastique (TP) ou thermodur-cissable (TD) :

l Les polymères thermodurcissa-bles (TD) sont mis en forme et se poly-mérisent selon la forme souhaitée par une transformation irréversible. Les principales résines thermodurcissables utilisées sont les polyesters insaturés, puis les résines époxy (ou époxydes), qui constituent la résine type des com-posites hautes performances (HP), et les résines phénoliques.

Les composites à matrice thermo-durcissable représentent 70 % des composites en Europe.

l Les polymères thermoplastiques (TP), mis en forme par chauffage, dur-

Apparus dans les années 1940, les matériaux composites ont libéré les formes des produits, amélioré les propriétés mécaniques des pièces et allégé considérablement certaines structures. Une famille aux caractéristiques complexes encore assez méconnue, dont les performances remarquables sont pourtant à l’origine de solutions techniques innovantes.

mots-clés lycée professionnel, lycée technologique, matériaux, prébac, postbac

Les composites dans tous leurs états STéPHANE GASTON[1]

[1] Professeur de construction mécanique au lycée Denis-Papin de La Courneuve (93).

Les logiciels de conception

L a difficulté à intégrer la spécificité des composites a conduit les éditeurs de logiciels à élaborer des produits le plus accessibles possible, par exemple Composic/Sysply

(ESI), Moldflow ou CZone for Abaqus (Dassault Systèmes). Il en existe d’autres, dont cer-tains sont développés par des centres de recherche.

Plus proches de nos enseignements, les matériaux composites peuvent être traités dans CosmosWorks, à partir de la version de SolidWorks 2009, et la performance d’un composite peut être validée avec SolidWorks Simulation Professional.

8 t e c h n o l o g i e 1 6 5 j a n v i e r - f é v r i e r 2 0 1 0 j a n v i e r - f é v r i e r 2 0 1 0 t e c h n o l o g i e 1 6 5 98 t e c h n o l o g i e 1 6 5 j a n v i e r - f é v r i e r 2 0 1 0 j a n v i e r - f é v r i e r 2 0 1 0 t e c h n o l o g i e 1 6 5 9

Les composites dans tous leurs états STéPHANE GASTON[1]

1 L’arborescence des matériaux de synthèse

Souples + élastiques

1D = fibres2D = films, feuilles3D = moulages

Polymères différents associés en couches fines

Rigides ou souples

Renfort fibreux + polymères

Matériaux de synthèse

Plastiques

Hétérogènes

Composites

Élastomères

Homogènes

Complexes

Sandwichs2 Une pièce de dérailleur de vélo

en acier (37 g) et en matériau composite (5 g)

Matrices

4 Les principaux matériaux de renfort

3 Les principales matrices

Organiques Minérales

Borures Carbures Nitrures

Thermodurcissables Céramiques

Thermoplastiques

Métalliques

Élastomères

RésinesFibres de renfort

Verre E Verre D Verre R Carbone Aramide

Thermodurcissables (TD)

Polyesters GD GD

Phénoliques GD

Polyuréthannes GD

Époxy HP HP HP HP

Thermoplastiques (TP)

Polypropylènes GD

PA 6 et 6-6 GD HP

PA 12, PEEK (marginal)

HP HP HP

5 Des fibres de verre

6 L’utilisation des résines et renforts

Polyesters Aramides

Métalliques BoisCoton,

papier, jute

Verre BoreCarbone

Céramiques

Renforts

Minéraux Végétaux

Organiques Inorganiques

SOURCE : REYNE (MAURICE), LES COMPOSITES, PUF

SOURCE : BERREUR (L.), MAILLARD (B. DE), NÖSPERGER (S.), « L’INDUSTRIE FRANÇAISE DES MATÉRIAUX COMPOSITES », NODAL CONSULTANTS / DIGITIP / SIM, 2002

10 t e c h n o l o g i e 1 6 3 s e p t e m b r e - o c t o b r e 2 0 0 9 s e p t e m b r e - o c t o b r e 2 0 0 9 t e c h n o l o g i e 1 6 3 1110 t e c h n o l o g i e 1 6 5 j a n v i e r - f é v r i e r 2 0 1 0 j a n v i e r - f é v r i e r 2 0 1 0 t e c h n o l o g i e 1 6 5 11

– E pour les composites de grande diffusion (GD) ;

– D pour les applications dans la construction électrique (circuits imprimés) ;

– R pour les composites hautes performances (HP).

Les fibres de verre sont utilisées dans plus de 95 % des composites, et plus particulièrement pour les produits GD. Elles offrent une bonne adhé-rence entre fibres et résine (matrice), de bonnes propriétés mécaniques, mais inférieures à celles des fibres de carbone, et des propriétés d’iso-lation électrique acceptables pour la plupart des applications.

l Les fibres de carboneLes fibres de carbone 7 sont princi-palement utilisées pour les composites HP en aéronautique, en construc-tion industrielle et dans les sports et loisirs.

l Les fibres d’aramideLes fibres d’aramide 8 sont issues de la chimie organique des polyamides par synthèse chimique à basse tempé-rature ; la plus connue est le Kevlar, marque déposée de DuPont.

Les composites renforcés de fibres d’aramide offrent une bonne stabilité en température (jusqu’à 200 °C en fonction de la matrice), mais souf-frent d’une adhérence moyenne entre matrice et fibres.

la matière à laquelle ils sont ajoutés. Ils sont aussi appelés charges.

monocouches et stratifiésLes composites monocouches repré-sentent l’élément de base de la struc-ture composite. Les différents types de monocouches sont caractérisés par la forme du renfort : à fibres longues, à fibres tissées, à fibres courtes.

Les composites stratifiés sont quant à eux constitués d’un empilement de monocouches. L’orientation des cou-ches les unes par rapport aux autres permettra d’obtenir des propriétés mécaniques spécifiques, et donc des stratifiés de différents types :l Stratifiés équilibrés : comportant autant de couches orientées suivant une direction que de couches orientées suivant la direction opposéel Stratifiés symétriques : comportant des couches disposées symétriquement par rapport à un plan moyen l Stratifiés orthogonaux : com-portant autant de couches orientées dans un sens que de couches perpen-diculaires 9

Leurs applicationsDes fonctions remplies par les maté-riaux composites, d’ordres mécanique 10, chimique 11 et physique 12, trois thèmes se dégagent : la durée de vie, la facilité de conception et la sécu-rité. Comme le montre le tableau 13, l’intérêt de ces fonctions diffère selon

l Les fibres naturellesLes industriels développent des compo-sites avec des fibres naturelles comme le lin, le chanvre, etc., qui pourront constituer une solution de remplace-ment des fibres de verre intéressante grâce à leur plus grande recyclabi-lité (par incinération) lorsque leurs propriétés physiques seront mieux appréhendées. En effet, leurs proprié-tés mécaniques pourraient atteindre celles des fibres de verre (module de Young), et elles se travaillent très faci-lement avec les techniques du textile (tissage).

Hormis ces trois grandes familles, il existe d’autres types de renforts : par exemple, les polymères biodé-gradables à base d’acide polylactique (PLA), utilisés pour des applications médicales d’ostéosynthèse, qui pour-raient remplacer certaines fibres existantes ; les fibres de polyéthy-lène haute ténacité, légères (densité de 0,95, à comparer à celle de l’ara-mide, 1,44) et d’une haute capacité de conversion de l’énergie cinétique en énergie thermique, qui se limi-tent aux applications balistiques et de blindage.

Les additifsNécessaires pour assurer une adhé-rence suffisante entre le renfort fibreux et la matrice, ils servent aussi à modi-fier l’aspect ou les caractéristiques de

7 Des fibres de carbone tissées9 Le principe d’un matériau

composite stratifié de type orthogonal 8 Des fibres d’aramide tissées

10 t e c h n o l o g i e 1 6 3 s e p t e m b r e - o c t o b r e 2 0 0 9 s e p t e m b r e - o c t o b r e 2 0 0 9 t e c h n o l o g i e 1 6 3 1110 t e c h n o l o g i e 1 6 5 j a n v i e r - f é v r i e r 2 0 1 0 j a n v i e r - f é v r i e r 2 0 1 0 t e c h n o l o g i e 1 6 5 11

Le principe d’un matériau composite stratifié de type orthogonal

5 Des fibres d’aramide tissées

Fonction Déterminant Secteurs d’application Exemples d’applications Critères et valeurs cibles

Résister

à la traction AéronautiqueBielles de reprises d’efforts

pour les avions en composites HPLimite de tenue à la traction

(de 100 à 1 000 MPa)

à la flexion BâtimentÉléments de murs rideaux

en composites GD à fibres longuesLimite de tenue à la traction

(de 100 à 1 000 MPa)

à la fatigueAutomobile, ferroviaire,

aéronautique

Hayons Citroën en composites TD à fibres longues

Module de flexion (de 8 à 18 GPa)

à la fissurationAutomobile,

bâtimentToile de fibre de verre et de résine

pour revêtement de bâtiment

à la températureAutomobile, aéronautique

Capots moteur en composites TD à fibres longues

Conservation de 50 % des caractéristiques mécaniques

pendant 2 000 heures/150 °C

à la rayure BâtimentBaignoires en composites

à matrice TD

Réduire

l’abrasion, l’usure AutomobileComposites en matrice PEEK

pour pièces d’usure

les déformations thermiques

Construction, automobile,

bâtiment

Carters d’huile en composites TP à fibres courtes

Coefficient de dilatation thermique (70-100 μm/°C)

Absorber l’énergie Automobile Lames de ressort de camionnette

Adapter à une structure BâtimentCharpente avec composites à enroulement filamentaire

Maîtriser l’élasticitéSports & loisirs,

automobileEmbouts de chaussures de sécurité

Module d’élasticité longitudinal 20-300 Gpa

Module d’élasticité transversal 2-25 Gpa

Amortir

les chocs AutomobileCouvercles de boîte de vitesses

composites à matrice TP

les vibrationsAutomobile, aéronautique

Couvercles de boîte de vitesse : composite matrice TP

le bruit BâtimentBaignoires en composites

à matrice TD

10 La classification par fonctions mécaniques

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2

Fonction Déterminant Secteurs d’application Exemples d’applications Critères et valeurs cibles

Résister

à la corrosionFerroviaire, électricité, naval, électronique, construction,

papier, articles de sport

Coques de bateaux, collecteurs d’admission d’air

dans les carburateurs, réservoirs pour véhicules fonctionnant

au gaz naturel

aux attaques chimiques

Construction, industrie chimique

Baignoires en composites à matrice TD

au feu Bâtiment

Limiter les émissions toxiques

BâtimentRéservoirs

dans l’industrie chimique

11 La classification par fonctions chimiques

12 t e c h n o l o g i e 1 6 5 j a n v i e r - f é v r i e r 2 0 1 0 j a n v i e r - f é v r i e r 2 0 1 0 t e c h n o l o g i e 1 6 5 1312 t e c h n o l o g i e 1 6 5 j a n v i e r - f é v r i e r 2 0 1 0 j a n v i e r - f é v r i e r 2 0 1 0 t e c h n o l o g i e 1 6 5 13

Fonctions applicables aux composites thermoplastiques et aux thermodurcissables

Fonctions spécifiques des thermoplastiques

Fonction Déterminant Secteurs d’application Exemples d’applications Critères et valeurs cibles

Résister aux ultraviolets BâtimentToile de fibre de verre

et de résine pour revêtement de bâtiment

Alléger les structuresAutomobile,

ferroviaire, aéronautiqueVolets et ailerons d’avion

en composites HP Masse spécifique 1-2 kg/dm3

alléger la structure de 1 kg

Transmettre les ondes OEMGénie électrique,

électroniqueNoyaux de transformateurs,

solutions de CEM

Isoler

de la chaleurAéronautique,

automobile, bâtiment

Réservoirs d’huile en composites HP pour

les avions

Coefficient d’isolation K = 1,1 à 1,2 W/m2 · K

isolation jusqu’à 1 200 °C

de l’électricitéGénie électrique,

électroniqueIsolants THT en composites

à fibres longues

SOURCE : BERREUR (L.), MAILLARD (B. DE), NÖSPERGER (S.), « L’INDUSTRIE FRANÇAISE DES MATÉRIAUX COMPOSITES », NODAL CONSULTANTS / DIGITIP / SIM, 2002

Aéronautique

Automobile

Ferroviaire

Bâtiment

Construction industrielle

Industrie nautique

Médical

électricité

Sports & loisirs

Durée de vie

Rigidité ✕ ✕ ✕ ✕ ✕

Résistance mécanique ✕ ✕ ✕ ✕ ✕

Tenue à la fatigue ✕ ✕

Résistance à la corrosion ✕ ✕ ✕ ✕ ✕ ✕

Étanchéité ✕ ✕

Sécurité

Tenue aux chocs ✕ ✕ ✕ ✕

Tenue au feu ✕ ✕ ✕ ✕ ✕

Isolation thermique ✕ ✕ ✕

Isolation électrique ✕

Amortissement des vibrations ✕ ✕

Conception

Intégration de fonctions ✕ ✕ ✕

Formes complexes ✕ ✕ ✕ ✕ ✕

Transparence ✕

Allègement de structure ✕ ✕ ✕ ✕

13 Les principales fonctions apportées par les composites aux applications

12 La classification par fonctions physiques

SOURCE : BERREUR (L.), MAILLARD (B. DE), NÖSPERGER (S.), « L’INDUSTRIE FRANÇAISE DES MATÉRIAUX COMPOSITES », NODAL CONSULTANTS / DIGITIP / SIM, 2002

12 t e c h n o l o g i e 1 6 5 j a n v i e r - f é v r i e r 2 0 1 0 j a n v i e r - f é v r i e r 2 0 1 0 t e c h n o l o g i e 1 6 5 1312 t e c h n o l o g i e 1 6 5 j a n v i e r - f é v r i e r 2 0 1 0 j a n v i e r - f é v r i e r 2 0 1 0 t e c h n o l o g i e 1 6 5 13

Fonctions applicables aux composites thermoplastiques et aux thermodurcissables

Fonctions spécifiques des thermoplastiques

chaque secteur d’application ; la résis-tance à la corrosion (citée 6 fois), la rigidité (citée 5 fois), la résistance mécanique (citée 5 fois), la tenue au feu (citée 5 fois) et l’adaptabilité aux formes complexes (citée 5 fois) sont les plus appréciées des industriels.

Quelques exemplesl Dans l’aéronautiqueSont principalement utilisés, pour la

principaux handicaps des composites dans ce secteur.

➜ Exemples d’application : ailes d’avions de tourisme, cabines, coques de paramoteur (parapente à moteur) 14

l Dans l’automobileSont principalement utilisés des com-posites à matrice polyester et fibres de verre, mais le secteur s’intéresse maintenant aux composites thermo-plastiques.

Les composites apportent une faci-lité d’entretien et une grande liberté de conception. Leur emploi allège les véhicules, et réduit donc leur consom-mation de carburant.

Mais leur développement à long terme est menacé par la difficulté de les intégrer dans les chaînes de fabrication et par les exigences de recyclabilité.

➜ Exemples d’application : pédales d’embrayage, ailerons, éléments de camping-car, casques 15, protections de nuque pour les pilotes de F1

l Dans le ferroviaire Sont principalement utilisés des com-posites à matrice thermodurcissable et fibres longues.

La facilité de conception et le bon comportement au feu sont les princi-paux atouts des matériaux composites dans le ferroviaire. Leur généralisa-tion est toutefois handicapée par leur coût élevé par rapport aux solutions en acier.

➜ Exemples d’application : nez de TGV, modules de toilettes de train, modules d’escaliers, panneaux de plafond pour voiture-bar, sièges, pièces de protection contre les arcs électriques

fabrication de pièces de structure pri-maire des appareils, des composites HP constitués d’une matrice époxy associée à un taux élevé de renforts en fibres de carbone en raison de leur légèreté, de leur souplesse de forme et des économies de frais de mainte-nance qu’ils génèrent.

Les difficultés d’assemblage et la médiocre résistance aux chocs, pour les thermodurcissables, constituent les

Le nouveau bac pro Plastiques et composites

Un nouveau diplôme vient de voir le jour, en remplacement du bac pro Plasturgie : le bac pro Plastiques et composites, dont la

première session se tiendra à la fin de l’année scolaire 2010-2011.

La certification intermédiaire du bac pro s’effectuera à partir du référentiel du BEP Plastiques et composites.

Les documents de référence sont les suivants :

l DGESCO, Calendrier de mise en œuvre des programmes d’enseignement général, mars 2009

l Arnold (Élisabeth), « La rénovation de la voie professionnelle. Présentation du baccalauréat professionnel en trois ans – Le calendrier de la mise en œuvre. L’organisation du parcours sous statut scolaire et sous statut d’apprentis », DGESCO, séminaire national, Paris, 9 mars 2009

l Arrêté de création du bac pro Plastiques et composites du 8-7-2009, JO du 30-7-2009

l Bulletin officiel n° 31, 27 août 2009

14 Des coques de paramoteur

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15 Le casque Shark RSR 2 Carbon16 Des profilés en matériaux composites

14 t e c h n o l o g i e 1 6 5 j a n v i e r - f é v r i e r 2 0 1 0

l Dans le bâtiment Les composites apportent la sou-plesse des formes, la résistance aux contraintes climatiques, et les compo-sites renforcés de fibres de carbone la résistance aux séismes.

Mais leur utilisation ne pourra se développer en France que si les pres-criptions techniques actuelles sont mieux adaptées à leur spécificité.

➜ Exemples d’application : profi- lés 16, plaques de structure 17

l Dans la construction nautique de plaisanceLes composites sont indispensables pour les embarcations de taille infé-rieure à 40 mètres. Les composites utilisés dans ce secteur sont encore à 85 % transformés par moulage au contact (manuel), mais les problèmes d’environnement obligent l’industrie nautique des matériaux composites à évoluer, notamment pour respecter les réglementations européennes limitant les émissions de COV (styrène).

➜ Exemples d’application : coques 18 et aménagement intérieur

l Dans les sports et loisirsLes équipementiers de sports et loi-sirs utilisent des composites HP avec un taux de renforts de plus de 70 %. Les composites permettent d’augmen-ter sur mesure les performances et la fiabilité des articles de sports. La résistance mécanique et élastique des composites TP reste encore trop

La priorité est donnée aux résines TD, largement majoritaires. Les véhi-cules représentant de 35 à 40 % de leur marché, elles sont visées par la directive VHU (Véhicule Hors d’Usage), qui stipule que 95 % du poids des véhicules devra être valo-risé en 2015. L’une des solutions pré-conisées d’ores déjà mise en œuvre, développée notamment par InoPlast, membre de l’ECRC, consiste à broyer les matériaux pour les réintroduire essentiellement sous forme de frag-ments dans les fours de cimenterie, mais aussi dans les bétons (pour les fibres de verre), leur conférant ainsi des propriétés mécaniques et d’antifissuration, et, sous forme de poudres, directement dans le proces-sus de fabrication des thermoplasti-ques, en remplacement des charges minérales naturelles. Il existe déjà quatre cimenteries en France à même d’accepter des déchets concassés en morceaux de 4 cm à 20 cm de côté, deux en Allemagne, une en Italie et une en Espagne.

Les structures de collecte, de tri et de valorisation restent à ce jour encore trop rares, mais ces problèmes techniques et environnementaux sont parfaitement intégrés aux nouveaux référentiels des diplômes (voir l’en-cadré sur « Le nouveau bac profes-sionnel Plastiques et composites », page précédente). n

faible comparée à celle des alliages légers, en particulier pour les com-posites à matrice en polypropylène et en polyamide.

➜ Exemples d’application : raquet-tes, fixations de skis 19, skis, coques de jet-ski, roues de vélo de compéti-tion 20, sulkys

l Dans l’électrique et l’électro-niqueLe secteur électrique et électronique utilise massivement des composites GD, essentiellement sous forme de semi-produits. Grâce aux propriétés remar-quables des matériaux composites, la construction électrique réalise des équipements fiables, aux fonctions mul-tiples et à longue durée de vie.

➜ Exemples d’application : circuits imprimés

Leur recyclageLa plupart des composites, à base de polymères thermodurcissables, sont difficilement recyclable. Le gisement de déchets est encore modeste (10 mil-lions de tonnes en 2006, environ 2/3 de résines et 1/3 de fibres, au niveau mondial), mais les fabricants commen-cent à mettre en place les filières de retraitement, notamment au niveau européen avec l’ECRC (European Composite Recycling services Com-pany). C’est leur intérêt bien compris, la pérennité de leur activité étant menacée, notamment par la régle-mentation communautaire.

17 Une structure de bâtiment en matériau composite

18 Une coque de bateau vue de l’intérieur

19 Une fixation de ski19 Une roue de vélo en fibre de carbone

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