Tableau comparatif des résistances à la rupture des matériaux

Les matériaux composites, des opportunités pour vos conceptions Les matériaux composites sont constitués de fibres de verre ou de carbone (parfois de lin) et de résine (polyester ou époxy). Ils présentent une rigidité et une résistance spécifique (rapportée à la masse) très élevée. A titre de comparaison, les fibres de carbone sont 2 fois plus résistantes et rigides qu'un bon acier mais 4 fois plus légères ! Cependant pour être utilisées elles doivent être associées à une résine qui les lie entre elle et donne la géométrie de la pièce ainsi réalisée. Les matériaux ainsi constitués possèdent alors des caractéristiques mécaniques finales présentées dans le tableau ci‐dessous : Matériau Fibres de verre / résine polyester Fibres de carbone / résine époxy Acier de Aluminium construction série 6000 Orientation des fibres Tissus unidirectionnel* Tissus équilibré* Tissus unidirectionnel* Tissus équilibré* Résistance à la rupture 775 (Mpa) 190 1200 500 500 350 Rigidité (Gpa) Densité 36 1,8 15 1,8 130 1,5 70 1,5 210 7,8 70 2,7 Matériau Orientation des fibres Fibres de verre / résine polyester Tissus unidirectionnel* Tissus équilibré Fibres de carbone / résine époxy Tissus unidirectionnel* Tissus équilibré Acier de construction Aluminium série 6000 Résistance à la rupture 431 spécifique** (Mpa) 106 800 333 64 130 Rigidité spécifique ** (Gpa) 8 87 47 27 26 20 * fibres unidirectionnelles à droite sur l’image ci‐dessous (toutes dans la même orientation) et tissus équilibré à gauche ** valeurs de rigidité et résistance divisées par la densité Les valeurs du tableau nous indiquent donc que les composites verres polyester sont adaptés en remplacement du métal lorsque la résistance à la rupture prédomine, alors que si la rigidité est prépondérante les fibres de carbones s'avèrent nécessaires. Cependant les matériaux composites ont cette particularité que l'on crée le matériau en même temps que la pièce, il est donc possible de mixer tissus unidirectionnels et équilibrés, et fibres de carbone et de verre. ID Composite | Nicolas Malandain 1 Par ailleurs les matériaux sandwich (voir image ci‐dessous) combinent des peaux de fibres + résine avec une âme en mousse. A la façon d'un carton ondulé, on obtient un matériau très rigide et léger. Cela ouvre encore plus de perspectives dans la mesure où les gains de masse sont très significatifs avec une très grande rigidité, voir schéma ci‐dessous. ID Composite | Nicolas Malandain 2 Une structure en sandwich et ses constituants. Comparaison des caractéristiques mécaniques en flexion (rigidité et résistance) et des masses de trois structures : une plaque et deux sandwiches Les applications des matériaux composites sont donc très vastes tant les possibilités offertes sont importantes. Outre le nautisme qui utilise depuis les années 60 les matériaux composites pour la fabrication des coques et ponts de bateaux de plaisance et de compétition, le secteur des transports est très friand de ces constructions légères et rigides car cela permet une diminution de la masse des véhicules et donc une économie de carburant. Citons les carrosseries de voitures et de camions de transporteurs, les trains, bus et tramways, les campings cars et dans le cas de composites à très hautes performances les éléments d'ailes, de carlingue et même de structure des avions de ligne. En étendant à d'autres secteurs où le gain de masse n'est pas un objectif premier, un autre avantage de ces matériaux est la possibilité d'y intégrer des fonctions variées telles que intégration d'éléments antennaires (structures composites conductrices selon un plan défini qui reproduit les propriétés des antennes métalliques), blindage électromagnétique (mousses ou matériaux absorbants les ondes), amortissement des vibrations acoustiques (insertions de fibres spécifiques telles que le lin), mesure in‐situ des déformations (ajout de fibres optiques et d'un réseau de Bragg), communication sans contact (puces RFID), fonction chauffage (par alimentation électriques de fibres de carbone par ex.). La liste n'est pas exhaustive et beaucoup de solutions restent à imaginer ! ID Composite | Nicolas Malandain 3