Fabrication de composites et de matériaux composites

Simplement définis, les COMPOSITES ou les MATÉRIAUX COMPOSITES sont des matériaux constitués de deux ou plusieurs matériaux ayant des propriétés physiques ou chimiques différentes, mais lorsqu'ils sont combinés, ils deviennent un matériau différent des matériaux constitutifs. Précisons que les matériaux constitutifs restent séparés et distincts dans la structure. Le but de la fabrication d'un matériau composite est d'obtenir un produit supérieur à ses constituants et combinant les caractéristiques souhaitées de chacun des constituants. Par exemple; la résistance, le faible poids ou le prix inférieur peuvent être la motivation derrière la conception et la production d'un composite. Les types de composites que nous proposons sont les composites renforcés de particules, les composites renforcés de fibres, y compris les composites à matrice céramique / à matrice polymère / à matrice métallique / carbone-carbone / hybrides, les composites structuraux, stratifiés et structurés en sandwich et les nanocomposites.

 

Les techniques de fabrication que nous déployons dans la fabrication de matériaux composites sont : la pultrusion, les processus de production de préimprégnés, le placement avancé de fibres, l'enroulement filamentaire, le placement de fibres sur mesure, le processus de stratification par pulvérisation de fibre de verre, le tuftage, le processus de lanxide, le z-pinning.
De nombreux matériaux composites sont constitués de deux phases, la matrice, qui est continue et entoure l'autre phase ; et la phase dispersée qui est entourée par la matrice.
Nous vous recommandons de cliquer ici pourTÉLÉCHARGEZ nos illustrations schématiques de la fabrication de composites et de matériaux composites par AGS-TECH Inc.
Cela vous aidera à mieux comprendre les informations que nous vous fournissons ci-dessous. 

 

• COMPOSITES RENFORCÉS PAR DES PARTICULES : Cette catégorie comprend deux types : les composites à grosses particules et les composites renforcés par dispersion. Dans le premier type, les interactions particule-matrice ne peuvent pas être traitées au niveau atomique ou moléculaire. Au lieu de cela, la mécanique du continuum est valide. D'autre part, dans les composites renforcés par dispersion, les particules sont généralement beaucoup plus petites dans des plages de dizaines de nanomètres. Un exemple de composite à grosses particules est celui des polymères auxquels des charges ont été ajoutées. Les charges améliorent les propriétés du matériau et peuvent remplacer une partie du volume de polymère par un matériau plus économique. Les fractions volumiques des deux phases influencent le comportement du composite. Les composites à grosses particules sont utilisés avec des métaux, des polymères et des céramiques. Les CERMETS sont des exemples de composites céramique/métal. Notre cermet le plus courant est le carbure cémenté. Il est constitué d'une céramique de carbure réfractaire telle que des particules de carbure de tungstène dans une matrice d'un métal tel que le cobalt ou le nickel. Ces composites de carbure sont largement utilisés comme outils de coupe pour l'acier trempé. Les particules de carbure dur sont responsables de l'action de coupe et leur ténacité est renforcée par la matrice métallique ductile. Ainsi, nous obtenons les avantages des deux matériaux dans un seul composite. Un autre exemple courant de composite à grosses particules que nous utilisons est celui des particules de noir de carbone mélangées à du caoutchouc vulcanisé pour obtenir un composite à haute résistance à la traction, à la ténacité, à la déchirure et à l'abrasion. Un exemple de composite renforcé par dispersion est constitué par les métaux et alliages métalliques renforcés et durcis par la dispersion uniforme de fines particules d'un matériau très dur et inerte. Lorsque de très petits flocons d'oxyde d'aluminium sont ajoutés à la matrice métallique d'aluminium, nous obtenons une poudre d'aluminium frittée qui a une résistance à haute température améliorée. 

 

• COMPOSITES RENFORCÉS DE FIBRES : Cette catégorie de composites est en fait la plus importante. L'objectif à atteindre est une résistance et une rigidité élevées par unité de poids. La composition, la longueur, l'orientation et la concentration des fibres dans ces composites sont essentielles pour déterminer les propriétés et l'utilité de ces matériaux. Il existe trois groupes de fibres que nous utilisons : les moustaches, les fibres et les fils. Les WHISKERS sont des monocristaux très fins et longs. Ils font partie des matériaux les plus résistants. Certains exemples de matériaux de trichites sont le graphite, le nitrure de silicium, l'oxyde d'aluminium. Les  FIBERS en revanche sont majoritairement des polymères ou des céramiques et sont à l'état polycristallin ou amorphe. Le troisième groupe comprend les FILS fins qui ont des diamètres relativement grands et sont souvent constitués d'acier ou de tungstène. Un exemple de composite renforcé de fil est celui des pneus de voiture qui incorporent du fil d'acier à l'intérieur du caoutchouc. Selon le matériau de la matrice, nous avons les composites suivants :
COMPOSITES POLYMER-MATRIX : Ils sont constitués d'une résine polymère et de fibres comme ingrédient de renforcement. Un sous-groupe de ces composites appelés polymères renforcés de fibres de verre (GFRP) contient des fibres de verre continues ou discontinues dans une matrice polymère. Le verre offre une résistance élevée, il est économique, facile à transformer en fibres et chimiquement inerte. Les inconvénients sont leur rigidité et leur rigidité limitées, les températures de service n'étant que de 200 à 300 degrés centigrades. La fibre de verre convient aux carrosseries automobiles et aux équipements de transport, aux carrosseries de véhicules marins, aux conteneurs de stockage. Ils ne conviennent pas à l'aérospatiale ni à la fabrication de ponts en raison de leur rigidité limitée. L'autre sous-groupe est appelé composite de polymère renforcé de fibre de carbone (CFRP). Ici, le carbone est notre matériau fibreux dans la matrice polymère. Le carbone est connu pour son module spécifique et sa résistance élevés et sa capacité à les maintenir à des températures élevées. Les fibres de carbone peuvent nous offrir des modules de traction standard, intermédiaires, élevés et ultra-élevés. De plus, les fibres de carbone offrent diverses caractéristiques physiques et mécaniques et conviennent donc à diverses applications d'ingénierie personnalisées. Les composites CFRP peuvent être envisagés pour fabriquer des équipements sportifs et récréatifs, des récipients sous pression et des composants structurels aérospatiaux. Pourtant, un autre sous-groupe, les composites polymères renforcés de fibres d'aramide, sont également des matériaux à haute résistance et module. Leurs rapports résistance/poids sont remarquablement élevés. Les fibres d'aramide sont également connues sous les noms commerciaux KEVLAR et NOMEX. Sous tension, ils fonctionnent mieux que d'autres matériaux en fibres polymères, mais ils sont faibles en compression. Les fibres d'aramide sont résistantes, résistantes aux chocs, au fluage et à la fatigue, stables à des températures élevées, chimiquement inertes sauf contre les acides et les bases forts. Les fibres d'aramide sont largement utilisées dans les articles de sport, les gilets pare-balles, les pneus, les cordes, les gaines de câbles à fibres optiques. D'autres matériaux de renforcement fibreux existent mais sont moins utilisés. Ce sont le bore, le carbure de silicium, l'oxyde d'aluminium principalement. Le matériau de la matrice polymère, d'autre part, est également critique. Elle détermine la température maximale de service du composite car le polymère a généralement une température de fusion et de dégradation plus faible. Les polyesters et les esters vinyliques sont largement utilisés comme matrice polymère. Des résines sont également utilisées et elles ont une excellente résistance à l'humidité et des propriétés mécaniques. Par exemple, la résine polyimide peut être utilisée jusqu'à environ 230 degrés Celsius. 
COMPOSITES MÉTALLIQUES : Dans ces matériaux on utilise une matrice métallique ductile et les températures de service sont généralement plus élevées que leurs composants constitutifs. Par rapport aux composites à matrice polymère, ceux-ci peuvent avoir des températures de fonctionnement plus élevées, être ininflammables et peuvent avoir une meilleure résistance à la dégradation contre les fluides organiques. Cependant ils sont plus chers. Les matériaux de renforcement tels que les trichites, les particules, les fibres continues et discontinues ; et des matériaux de matrice tels que le cuivre, l'aluminium, le magnésium, le titane, les superalliages sont couramment utilisés. Des exemples d'applications sont les composants de moteur constitués d'une matrice en alliage d'aluminium renforcée d'oxyde d'aluminium et de fibres de carbone. 
COMPOSITES CÉRAMIQUES À MATRICE : Les matériaux céramiques sont connus pour leur excellente fiabilité à haute température. Cependant, ils sont très fragiles et ont de faibles valeurs de ténacité à la rupture. En incorporant des particules, des fibres ou des trichites d'une céramique dans la matrice d'une autre, nous sommes en mesure d'obtenir des composites avec des ténacités à la rupture plus élevées. Ces matériaux intégrés inhibent essentiellement la propagation des fissures à l'intérieur de la matrice par certains mécanismes tels que la déviation des extrémités des fissures ou la formation de ponts sur les faces des fissures. A titre d'exemple, les alumines renforcées de trichites de SiC sont utilisées comme inserts d'outils de coupe pour l'usinage d'alliages de métaux durs. Ceux-ci peuvent révéler de meilleures performances par rapport aux carbures cémentés.  
COMPOSITES CARBONE-CARBONE : Le renfort ainsi que la matrice sont en carbone. Ils ont des modules de traction élevés et des résistances à des températures élevées supérieures à 2000 degrés centigrades, une résistance au fluage, des ténacités à la rupture élevées, de faibles coefficients de dilatation thermique, des conductivités thermiques élevées. Ces propriétés les rendent idéales pour les applications nécessitant une résistance aux chocs thermiques. La faiblesse des composites carbone-carbone est cependant leur vulnérabilité à l'oxydation à haute température. Des exemples typiques d'utilisation sont les moules de pressage à chaud, la fabrication de composants de moteurs à turbine avancés. 
COMPOSITES HYBRIDES : Deux ou plusieurs types de fibres différentes sont mélangés dans une seule matrice. On peut ainsi adapter un nouveau matériau avec une combinaison de propriétés. Un exemple est lorsque des fibres de carbone et de verre sont incorporées dans une résine polymère. Les fibres de carbone offrent une rigidité et une résistance à faible densité mais sont coûteuses. Le verre, quant à lui, est peu coûteux mais n'a pas la rigidité des fibres de carbone. Le composite hybride verre-carbone est plus solide et plus résistant et peut être fabriqué à moindre coût.
TRAITEMENT DES COMPOSITES RENFORCÉS DE FIBRES : Pour les plastiques renforcés de fibres continues avec des fibres uniformément réparties orientées dans la même direction, nous utilisons les techniques suivantes.
PULTRUSION : Des tiges, des poutres et des tubes de longueurs continues et de sections constantes sont fabriqués. Les mèches de fibres continues sont imprégnées d'une résine thermodurcissable et sont tirées à travers une filière en acier pour les préformer à la forme souhaitée. Ensuite, ils passent à travers une matrice de durcissement usinée avec précision pour atteindre sa forme finale. Puisque la matrice de durcissement est chauffée, elle durcit la matrice de résine. Les extracteurs tirent le matériau à travers les matrices. En utilisant des noyaux creux insérés, nous sommes en mesure d'obtenir des tubes et des géométries creuses. La méthode de pultrusion est automatisée et nous offre des cadences de production élevées. N'importe quelle longueur de produit est possible de produire. 
PROCÉDÉ DE PRODUCTION DE PREPREG : Le préimprégné est un renfort en fibres continues préimprégné d'une résine polymère partiellement polymérisée. Il est largement utilisé pour les applications structurelles. Le matériel se présente sous forme de bande et est expédié sous forme de bande. Le fabricant le moule directement et le durcit complètement sans qu'il soit nécessaire d'ajouter de la résine. Étant donné que les préimprégnés subissent des réactions de durcissement à température ambiante, ils sont stockés à 0 centigrade ou à des températures inférieures. Après utilisation, les bandes restantes sont stockées à basse température. Des résines thermoplastiques et thermodurcissables sont utilisées et les fibres de renfort de carbone, d'aramide et de verre sont courantes. Pour utiliser des préimprégnés, le papier de support du support est d'abord retiré, puis la fabrication est réalisée en posant le ruban préimprégné sur une surface usinée (le processus de superposition). Plusieurs plis peuvent être superposés pour obtenir les épaisseurs souhaitées. Une pratique fréquente consiste à alterner l'orientation des fibres pour produire un stratifié à plis croisés ou à plis angulaires. Enfin, la chaleur et la pression sont appliquées pour le durcissement. Le traitement manuel ainsi que les processus automatisés sont utilisés pour couper les préimprégnés et la superposition.
ENROULEMENT FILAMENTAIRE : Les fibres de renforcement continues sont positionnées avec précision selon un motif prédéterminé pour suivre une forme creuse et généralement cyclindrique. Les fibres passent d'abord dans un bain de résine puis sont enroulées sur un mandrin par un système automatisé. Après plusieurs répétitions d'enroulement, les épaisseurs souhaitées sont obtenues et le durcissement est effectué soit à température ambiante, soit à l'intérieur d'un four. Maintenant, le mandrin est retiré et le produit est démoulé. L'enroulement filamentaire peut offrir des rapports résistance/poids très élevés en enroulant les fibres selon des motifs circonférentiels, hélicoïdaux et polaires. Tuyaux, réservoirs, carters sont fabriqués selon cette technique. 

 

• COMPOSITES STRUCTURELS : Généralement, ils sont constitués à la fois de matériaux homogènes et composites. Par conséquent, les propriétés de ceux-ci sont déterminées par les matériaux constitutifs et la conception géométrique de ses éléments. Voici les principaux types :
COMPOSITES LAMINAIRES : Ces matériaux structuraux sont constitués de feuilles ou de panneaux bidimensionnels avec des directions privilégiées à haute résistance. Les couches sont empilées et cimentées ensemble. En alternant les directions de haute résistance dans les deux axes perpendiculaires, nous obtenons un composite qui a une haute résistance dans les deux directions dans le plan bidimensionnel. En ajustant les angles des couches, on peut fabriquer un composite résistant dans les directions préférées. Le ski moderne est fabriqué de cette façon. 
PANNEAUX SANDWICH : Ces composites structuraux sont légers mais ont une rigidité et une résistance élevées. Les panneaux sandwich se composent de deux feuilles extérieures faites d'un matériau rigide et solide comme les alliages d'aluminium, les plastiques renforcés de fibres ou l'acier et un noyau entre les feuilles extérieures. Le noyau doit être léger et la plupart du temps avoir un faible module d'élasticité. Les matériaux de base populaires sont les mousses polymères rigides, le bois et les nids d'abeilles. Les panneaux sandwich sont largement utilisés dans l'industrie de la construction comme matériau de toiture, de sol ou de mur, ainsi que dans les industries aérospatiales.  

 

• NANOCOMPOSITES : Ces nouveaux matériaux sont constitués de particules nanométriques enchâssées dans une matrice. En utilisant des nanocomposites, nous pouvons fabriquer des matériaux en caoutchouc qui sont de très bonnes barrières à la pénétration de l'air tout en conservant leurs propriétés de caoutchouc inchangées.