Gobelet et matériaux composites – WUS#16

La semaine dernière, on a parlé des différents états de la matière. Dans une certaine continuité, on va s’intéresser aujourd’hui à un certain type de matériau (solide) : les matériaux composites. Très utilisés dans l’industrie, ils sont aussi présents dans notre vie quotidienne, et on va le voir tout de suite avec un exemple : le gobelet-en-plastique-qui-se-casse-tout-le-temps !

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Je vous sers un verre ?

Un premier exemple : le gobelet en plastique

Prenons un gobelet en plastique. Oui, vous savez, celui qui, à la moindre pression, finit toujours par se casser. D’ailleurs, avez-vous déjà remarqué qu’il se cassait quasiment toujours dans la même direction ? Et ce, quelle que soit la façon dont on a appuyé dessus ! Si vous ne me croyez pas, allez-y, testez !

Essayons de comprendre ce qui se passe. Pour cela, prenons un échantillon de gobelet comme celui ci-dessous, et essayons de le casser (à la main) de deux manières différentes : longitudinalement et transversalement. On remarque que casser le bout de gobelet de manière longitudinale est plutôt très simple. Cependant, casser un gobelet de manière transversale est beaucoup plus difficile.

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Il semble donc être plus facile de casser un gobelet dans un sens plutôt que dans un autre : on dit alors que le gobelet est fait d’un matériau anisotrope, c’est-à-dire que les propriétés du matériau dépendent de la direction considérée. C’est une des caractéristiques des matériaux composites, dont on va détailler les propriétés par la suite.

Qu’est-ce qu’un matériau composite ?

Un matériau composite est en fait l’association d’une matrice et de renforts. Il existe différents types de matrices et de renforts. Les renforts les plus connus sont les fibres de verre et les fibres de carbones, mais il en existe bien d’autres (fibres de Kevlar, fibres de Bore). Les matrices peuvent elles aussi être de différents types : on utilise souvent des résines qui sont des polymères qui peuvent être thermodurcissables (elles deviennent  solides au dessus d’une certaine température) ou  thermoplastiques (elles deviennent plastiques au dessus d’une certaine température), mais il existe aussi des matrices céramiques ou encore métalliques.

Chacun des constituants d’un matériau composite joue un rôle particulier : la matrice, ou résine, joue le rôle de liant entre les renforts et se charge notamment de transmettre les efforts à ceux-ci tandis que les renforts sont les éléments qui apportent à un matériau composite ses performances mécaniques (résistance en traction, en compression, etc.).

De fait, dans un matériau composite, les fibres, qui peuvent être soit courtes, soit longues, sont choisies et disposées de façon à obtenir les propriétés mécaniques que l’on cherche. Pour les gobelets, les fibres sont disposées plutôt dans un but de fabrication simple, rapide et bon marché : les fibres sont donc disposées dans une seule direction, on dit alors que le matériau composite est unidirectionnel.

Reprenons l’échantillon de gobelet de de tout à l’heure, et schématisons le.

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Un matériau composite unidirectionnel

Le gobelet est constitué de fibres longues disposées dans une direction, on comprend donc mieux le comportement mis en avant tout à l’heure. En effet, quand on essaye de casser transversalement le gobelet, on essaye en fait de casser transversalement les fibres  (et aussi de rompre la matrice qui relit ces fibres), ce qui est loin d’être aisé car, rappelons-le, ce sont les fibres qui donnent une certaine résistance mécanique au matériau. Lorsque l’on casse le gobelet longitudinalement, on ne cherche cette fois-ci pas à casser pas les fibres, mais on rompt longitudinalement la matrice qui relie ces fibres. C’est, cette fois, beaucoup plus aisé, car ici, aucun effort n’est transmis aux fibres, c’est la matrice qui subit seule l’effort appliqué.

Si maintenant on regardait la résistance en traction de l’échantillon de gobelet, on constaterait que le gobelet a une meilleure résistance à la traction longitudinale qu’à la traction transversale. En effet, lors de l’essai de traction longitudinale, on tire dans la direction des fibres et on cherche donc à les casser. Et lors de l’essai de traction transversale, on tire le matériau dans la direction transversale des fibres, dans le but de les « décoller » : on agit alors principalement sur la résine qui relie les fibres.

On ne s’est intéressé jusqu’à maintenant qu’à un matériau composite unidimensionnel simple, mais il existe un très grand nombre d’autres configurations. On peut par exemple superposer différentes couches de fibres ayant des orientations différentes, de sorte à diminuer le caractère anisotrope du matériau : cela nécessite une matrice suffisamment résistante pour contrer le phénomène de délaminage (décollement de couches de fibres ayant des orientations différentes). On peut aussi envisager de tisser des fibres : on obtient tout simplement des tissus en matériaux composites.

Quelques applications des matériaux composites

Les matériaux composites sont des matériaux en constante évolution, sujet de recherche de nombreux laboratoires, avec de nombreuses applications dans l’industrie. Ils présentent en effet de nombreux avantages, tels que la légèreté, une maintenance réduite ou encore la possibilité de faire de nombreuses combinaisons fibres/matrice et donc d’adapter au mieux le matériau à son utilisation.

On en trouve absolument partout… même dans le corps humain ! Les os sont par exemple des matériaux composites, de même que certains plombages dentaires. Le bois est lui aussi un matériau composite.

Les matériaux composites sont par ailleurs particulièrement utilisés dans l’industrie des transports (automobile, ferroviaire, nautique). Mais un exemple frappant se trouve dans l’industrie aéronautique : en effet, la structure du dernier né des avions d’Airbus, l’A350 XWB, présente un peu plus de 50% de matériaux composites en masse (hors moteurs) ! La plupart des avions présentent moins de 25% de matériaux composites. Cela  représente une diminution de masse importante (de l’ordre de 20%).

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L’Airbus A350-800

On trouve enfin des matériaux composites dans le secteur des travaux publics, avec le béton armé. Le béton armé n’est autre que du béton coulé autour de structures en acier. Ces structures jouent le rôle des renforts tandis que le béton constitue la matrice du matériau composite. Les structures en acier permettent d’apporter au matériau une importante résistance à la traction, dont le béton seul est dépourvu.

 

C’est tout pour ce billet ! J’espère qu’il vous a plu et qu’il vous a permis de découvrir ce que sont les matériaux composites, et à quel point ils peuvent être utiles.

 

 

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