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Article de référence | Réf : M250 v2

Matériaux composites à matrices métalliques

Auteur(s) : Jean-François SILVAIN, Jean-Marc HEINTZ, Amélie VEILLERE

Date de publication : 10 nov. 2018

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RÉSUMÉ

Les matériaux composites à matrice métallique ont été développés à partir des années 1960 afin de combiner les propriétés des métaux (ductilité, conductivité, tenue au feu) à celle des renforts. Cette combinaison permet d’obtenir des propriétés supérieures à celles des métaux et alliages métalliques classiques. Aujourd’hui, ces matériaux sont utilisés dans de nombreux domaines tels que l’aéronautique, le spatial, l’automobile, le nucléaire. Cet article décrit les principaux constituants de ces matériaux composites (matrice, renfort et interface), les procédés d’élaboration associés et il présente les propriétés principales associées à des applications spécifiques.

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ABSTRACT

Metal matrix composites were developed from the 1960s in order to combine metal properties (ductility, conductivity, fire resistance) to that of reinforcements. This combination allows to obtain properties superior to those of conventional metals and alloys. Today, these materials are used in many fields such as aeronautics, space, automotive, nuclear. This article describes the main components of these composite materials (matrix, reinforcement and interface), the associated fabrication processes and presents the main properties associated with specific applications.

Auteur(s)

  • Jean-François SILVAIN : Directeur de recherche CNRS - Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (ICMCB), Pessac, France

  • Jean-Marc HEINTZ : Professeur des universités, Bordeaux INP - Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (ICMCB), Pessac, France

  • Amélie VEILLERE : Maître de conférences, Bordeaux INP - Institut de chimie de la matière condensée de Bordeaux (ICMCB), Pessac, France

INTRODUCTION

Les matériaux composites à matrices métalliques (CMM) ont été développés à partir des années 1960-1965 en deux vagues successives. Des efforts importants de recherche ont été menés aux États-Unis et en France dans les années 60 autour d’une fibre monofilamentaire de bore, sans véritable développement industriel ultérieur. Ce composite métal-métal était pénalisé par le coût très élevé de la fibre. À cette date, les applications envisagées étaient exclusivement orientées vers l’aéronautique et l’espace. Dans les années 80, la disponibilité de nombreuses nouvelles fibres céramiques a relancé les recherches dans ce domaine avec des perspectives de développement industriel plus encourageantes. Des exemples d’applications industrielles ont été développés dans l’automobile, à l’initiative de l’industrie japonaise.

Ces matériaux sont encore en pleine évolution, et les propriétés que l’on peut en attendre ne sont que partiellement connues ; elles sont très largement supérieures à celles des alliages métalliques. Elles s’accompagnent très souvent, pour les composites métal-renfort, d’une réduction de ductilité par rapport aux alliages métalliques. Cette caractéristique doit être prise en compte dans les règles de dimensionnement des pièces, et bien souvent une nouvelle conception de la pièce sera nécessaire. Cependant, l’ajout de plusieurs types de renforts (de tailles et de propriétés complémentaires) peut pallier à cette problématique et ainsi induire une augmentation de plusieurs propriétés physiques impossible avec l’ajout d’un seul type de renfort.

Les procédés de fabrication peuvent être répartis en trois grandes catégories qui permettent de moduler les taux de renforts et leur répartition, et de contrôler la nature des interfaces ou interphases. Il n'y a pas de méthode idéale de mise en œuvre des composites à matrices métalliques mais au contraire une nécessité de pouvoir choisir la méthode en fonction des microstructures et des propriétés attendues. C'est pourquoi il est important de connaître l'ensemble des techniques de mise en forme de ces matériaux.

L’utilisation d’une matrice métallique dans un composite présente plusieurs avantages par rapport aux matrices organiques :

  • une meilleure tenue en température qui permet de reculer les limites d’utilisation en environnements moteurs ou structures hypersoniques ;

  • de meilleures propriétés physiques (par exemple mécanique, thermique, électrique) intrinsèques de la matrice, permettant le renfort localisé ou unidirectionnel ;

  • une meilleure tenue au vieillissement et au feu.

En revanche, les technologies de fabrication des composites à matrices métalliques sont en général plus complexes que pour les composites à matrice organique. Au cours de la fabrication, il faut assurer une bonne cohésion aux interfaces entre matrice et renfort, sans dégrader ce dernier. La liaison chimique fibre-matrice doit être réalisée avec une matrice en phase liquide, solide ou semi-liquide sans dégrader les propriétés intrinsèques des renforts utilisés. Si l’on ajoute à ces critères l’intérêt de matériaux légers et à propriétés spécifiques élevées, on comprendra que, parmi les différentes matrices métalliques disponibles, l’aluminium et ses alliages occupent une place privilégiée comme matrice de composites pour les transports et les pièces en mouvement.

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KEYWORDS

interface   |   composite   |   metal   |   reinforcement

VERSIONS

Il existe d'autres versions de cet article :

DOI (Digital Object Identifier)

https://doi.org/10.51257/a-v2-m250


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BIBLIOGRAPHIE

  • (1) - NASLAIN (R.) -   Introduction aux matériaux composites. T.2.  -  Matrices métalliques et céramiques, 491 p., Éd. CNRS (1985).

  • (2) - KAINER (K.U.) -   Metal Matrix Composites : Custom-made Materials for Automotive and Aerospace Engineering.  -  John Wiley and Sons, 314 p. (2006).

  • (3) - CHAWLA (N.), CHAWLA (K.K.) -   Metal matrix composites.  -  Springer New York, 370 p. (2013).

  • (4) - SURESH (S.), MORTENSEN (A.), NEEDLEMAN (A.) -   Fundamentals of Metal-Matrix Composites.  -  Elsevier Inc., 342 p. (2013).

  • (5) -   Composites, Engineered Materials Handbook.  -  Vol. 1, ASM International, Met. Park, Ohio 44073, USA (1987). Wiley Encyclopedia of composites. Second edition, John Wiley & Sons (2012).

  • (6) -   L’aluminium...

1 Événements

ICCM (International Conference on Composite Materials). Salon international sur les composites, a lieu tous les deux ans (2018, Amsterdam).

ECCM (European Conference on Composite Materials). Salon international sur les composites, a lieu tous les deux ans (2018, Athens).

HAUT DE PAGE

2 Normes et standards

WITHDRAWAL OF STANDARD – Volume15.03, 2001

D 3553-76 - (1996) - Test Method for Fiber Content by Digestion of Reinforced Metal Matrix Composites.

ANSI H 35.5 - (1992) - Normalisation des composites à matrice métalliques.

ASTM G65-91 - (1991) - Test method for measuring abrasion using the dry sand/rubber wheel apparatus.

HAUT DE PAGE

3 Annuaire

HAUT DE PAGE

3.1 Constructeurs – Fournisseurs – Distributeurs (liste non exhaustive)

Materion Corporation AMC Materials,

http://www.amc-mmc.co.uk/materials.htm...

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