Composite : définition et propriétés

Coques d'avion, pales d'éoliennes, cadres de vélo ou renforts de ponts : les matériaux composites sont partout où l'on cherche à concilier légèreté et résistance. Leur principe est ancien, leur ingénierie est l'une des plus actives de la science des matériaux.

Qu'est-ce qu'un matériau composite ?

Un matériau composite associe au moins deux constituants non miscibles, de natures différentes, qui conservent leur identité au sein du matériau final tout en travaillant ensemble. Cette association produit des propriétés qu'aucun des constituants ne possède seul : des fibres très résistantes mais incapables de tenir une forme, noyées dans une résine peu résistante mais cohésive, donnent une pièce à la fois légère, rigide et résistante. Le composite est donc hétérogène à l'échelle de sa structure, et ses performances dépendent autant de la nature des constituants que de leur agencement. Le béton armé ou le contreplaqué obéissent à ce principe, et la recherche va jusqu'à concevoir des composites au comportement ajusté dès la conception, à l'image du matériau composite à comportement contrôlé.

Architecture et constituants

Tout composite repose sur une architecture binaire : une matrice, qui joue le rôle de liant, et un renfort, qui joue le rôle d'ossature. S'y ajoutent souvent des charges et des additifs qui ajustent le coût, la tenue au feu, la couleur ou la mise en œuvre.

La matrice : rôle et types

La matrice maintient les renforts en position, leur transmet et répartit les efforts, les protège de l'humidité, des agressions chimiques et des chocs, et donne sa forme à la pièce. Les matrices polymères se divisent en deux familles. Les thermodurcissables (polyester insaturé, vinylester, époxy, phénolique) durcissent de façon irréversible lors de leur polymérisation. Les thermoplastiques (polypropylène, polyamide, PEEK) se ramollissent à la chaleur, ce qui autorise le reformage, le soudage et facilite le recyclage.

Les renforts : fibres et particules

Le renfort supporte l'essentiel des charges mécaniques. La fibre de verre est la plus utilisée, pour son bon compromis entre prix et performances. La fibre de carbone apporte rigidité et résistance élevées pour une faible masse, ce qui en fait le renfort de l'aéronautique et du sport de haut niveau. L'aramide résiste remarquablement aux impacts, et les fibres naturelles, comme le lin ou le chanvre, ouvrent la voie aux composites biosourcés. Les renforts se présentent en fibres continues (nappes unidirectionnelles, tissus), en fibres courtes ou coupées, ou en particules. Les fibres continues donnent les meilleures performances, dans leur direction.

L'interface fibre-matrice

La zone de contact entre fibre et matrice, appelée interface ou interphase, assure le transfert des efforts de l'une à l'autre. Une adhésion insuffisante entraîne décohésions, fissures et délaminage, et fait chuter les performances. C'est pourquoi les fibres reçoivent un ensimage, un traitement de surface qui améliore leur compatibilité avec la résine. Le perçage d'un composite carbone-époxy illustre bien cette fragilité : mal conduit, il provoque le délaminage des plis autour du trou.

Classification par type de matrice

La classification la plus courante distingue trois grandes familles selon la nature chimique de la matrice, chacune couvrant des plages de température et des usages différents.

Les composites à matrice organique (CMO)

Constitués d'une matrice polymère, les CMO représentent la très grande majorité des composites produits. Légers et relativement faciles à mettre en œuvre (moulage au contact, infusion, RTM, enroulement filamentaire, pultrusion, cuisson en autoclave), ils se répartissent entre composites de grande diffusion, typiquement polyester et verre, et composites hautes performances, typiquement époxy et carbone. Leur limite principale est la température d'emploi, restreinte par celle de la résine.

Les composites à matrice céramique (CMC)

Les CMC associent une matrice et des fibres céramiques, par exemple en carbure de silicium, ou des fibres de carbone dans une matrice de carbone. Ils conservent leurs propriétés au-delà de 1 000 °C et, grâce aux fibres qui dévient les fissures, sont bien moins fragiles qu'une céramique massive. On les retrouve dans les disques de frein carbone-carbone des avions, les protections thermiques des engins spatiaux et les pièces chaudes des turbomachines.

Les composites à matrice métallique (CMM)

Les CMM renforcent un métal léger, aluminium, magnésium ou titane, par des particules ou des fibres céramiques, souvent en carbure de silicium. Ils gagnent en rigidité, en résistance à l'usure et en maîtrise de la dilatation thermique. Leur coût les cantonne à des niches : pièces aéronautiques et spatiales, semelles de modules d'électronique de puissance, disques de frein.

Propriétés physico-chimiques et mécaniques

• Légèreté : un composite carbone-époxy présente une densité d'environ 1,6, contre 2,7 pour l'aluminium et 7,8 pour l'acier.
• Résistance et rigidité spécifiques élevées : rapportées à leur masse, elles dépassent celles de la plupart des métaux.
• Anisotropie : les propriétés sont maximales dans l'axe des fibres, ce qui permet d'orienter les plis selon les efforts à reprendre.
• Résistance à la corrosion et bonne tenue en fatigue, qui réduisent l'entretien, notamment en milieu marin ou chimique.
• Propriétés électriques modulables : les composites verre sont isolants, les composites carbone conducteurs. Un boîtier composite allège un équipement électronique mais oblige à traiter la compatibilité électromagnétique, faute du blindage naturel d'un boîtier métallique.
• Limites : sensibilité aux chocs, avec des dommages parfois invisibles en surface, risque de délaminage, température d'emploi limitée pour les CMO, coût et recyclage plus complexes que pour les métaux.

Applications industrielles et perspectives

L'aéronautique est le secteur emblématique : les composites représentent environ la moitié de la masse de la structure d'avions comme l'Airbus A350 ou le Boeing 787. L'éolien en consomme des volumes considérables pour des pales qui dépassent désormais 100 m de long. L'automobile, le ferroviaire, le nautisme, les équipements sportifs, le génie civil, avec le renforcement d'ouvrages par tissus de fibres de carbone collés, et l'électronique complètent la liste. Les enjeux actuels portent sur le recyclage, le développement des matrices thermoplastiques et des fibres biosourcées, et l'automatisation de la fabrication pour réduire les coûts.

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