Les composites de l'extrême

De plus en plus souvent substitués aux métaux, les composites font valoir leurs qualités dans les environnements difficiles. Hautes températures, feu, séisme, produits corrosifs... Rien ne semble pouvoir les arrêter.

Ils ne bénéficient d'aucun traitement de faveur. Bien au contraire : feu, hautes températures, produits chimiques, fortes pressions, tremblements de terre... Rien n'est épargné à ces matériaux qui tentent d'égaler, voire de surpasser les métaux. La nouvelle édition du salon JEC Composites l'a démontré cette année : les composites sont de plus en plus utilisés pour les applications extrêmes. Leur bonne tenue dans des conditions exigeantes s'ajoute à leur légèreté pour séduire les industriels. Des performances qui devraient favoriser le développement de ces matériaux, composés le plus souvent de résine et de fibres, qui ont fait irruption dans l'industrie dans les années 70. Aujourd'hui estimé à 60 milliards d'euros, le marché mondial des composites pourrait atteindre 85 milliards en 2013. Rien ne semble pouvoir arrêter leur progression.

Inhospitaliers, les fonds marins sont une terre de prédilection pour les composites. Par exemple pour renforcer les câbles ombilicaux, qui transmettent l'électricité et les données entre une plate-forme pétrolière et le puits de forage, ou les « risers », les conduites qui font remonter à la surface le pétrole et le gaz. La société Epsilon Composite produit des joncs (tiges pleines) pour les ombilicaux et des renforts latéraux pour les « risers ». L'intérêt des composites ? « Notre produit, constitué de résine époxy et de fibres de carbone, est trois fois plus résistant que l'acier et cinq fois plus léger », explique Dominique Nogues, un ingénieur bureau d'études de la PME médocaine (Gironde). L'utilisation des composites réduit ainsi les risques de rupture et d'entraînement de la plate-forme vers le fond. Le groupe Technip serait intéressé par cette technologie.

RÉSISTANTS À LA CORROSION ET AUX HAUTES PRESSIONS

« Les autres avantages des composites sont l'absence de corrosion et la résistance aux hautes températures et aux hautes pressions », précise Lawrence Quinn, le directeur du développement au sein d'Automated Dynamics. Cette société américaine emploie de son côté des résines thermoplastiques PEEK (polyetheretherketone) et PEI (polyetherimide) pour renforcer les câbles sous-marins. En y ajoutant des fibres de carbone, de verre ou de céramiques. Automated Dynamics s'est ainsi rapproché des grands groupes parapétroliers Halliburton et Schlumberger. Chez Victrex, qui commercialise aussi des résines thermoplastiques PEEK pour les ombilicaux, on met également en avant la bonne résistance à l'hydrolyse et à la fatigue de ce type de composite.

Toujours dans les océans, les portes et cloisons anti-feu des sous-marins pourraient faire appel aux composites. Une application encore au stade du prototype pour la PME française Pyromeral Systems. Les parois seraient en composite à matrice vitrocéramique thermodurcissable, les fibres pouvant être de différentes natures. « Ce produit bloque le feu de manière très efficace, assure Christophe Buchler, le président Amérique du Nord et responsable des ventes. Et, à volume équivalent, les pièces sont jusqu'à 70 % fois plus légères que le métal. » Un atout de taille, malgré un surcoût élevé par rapport à l'acier.

DES FIBRES DE BASALTE POUR TENIR DE - 260 °C À 750 °C

Les parois coupe-feu en composites sont tout aussi prometteuses à la surface de la terre. La société Basaltex a notamment développé des tissus de basalte pré-imprégnés de résine phénolique, destinés à la production de panneaux pour le transport ferroviaire. Les propriétés ignifuges de ce matériau tiennent aux caractéristiques du basalte : cette roche ne fond qu'à 1 450 °C. Ces fibres peuvent également servir de protection contre le feu pour les câbles électriques. « Les fibres de basalte peuvent résister à des températures de 750 °C, contre 600 °C pour les fibres de verre », chiffre Pauline Koslowski, ingénieur développement chez Basaltex.

A l'autre extrême, ces fibres peuvent tenir jusqu'à - 260 °C. De quoi fabriquer des réservoirs pour la chimie, notamment pour l'azote liquide. Plus généralement, pour le transport des produits chimiques, les composites ont une carte à jouer face aux métaux, grâce à leurs propriétés anticorrosion et à leur bonne tenue aux hautes pressions.

En Allemagne, un laboratoire de l'Institut Fraunhofer, Fraunhofer Pyco, développe en collaboration avec le groupe Clariant une résine thermodurcissable hybride. Elle combine des résines organiques (cyanate ester) et inorganiques (silazane, un polymère de silicium et d'azote). Résultat : un composite qui résiste à une température de 260 °C. « Et qui génère peu d'émanations toxiques en présence du feu », assure Sebastian Steffen, du Fraunhofer Pyco.

REMPLACER LE TITANE, L'ACIER OU L'INCONEL

Le cyanate ester est aussi utilisé seul pour sa résistance aux hautes températures. La résine fournie par le suisse Lonza a de nombreuses applications : structures internes dans les avions, éléments antifrictions dans les machines-outils et pièces d'isolation thermique dans les moteurs de formule 1. « Dans les moteurs, notre résine sert avant tout à isoler les composants sous haute tension », affirme Marcel Sommer, de Lonza. Toujours pour des applications à l'automobile « sous capot », Quarzwerke a opté pour l'ajout de poudres minérales dans les résines, en remplacement des fibres. Des minéraux comme la wollastonite, le mica ou bien encore le kaolin améliorent les propriétés thermiques des pièces en polyamide couramment utilisées.

Pyromeral Systems, pour sa part, réalise des composites à matrice vitrocéramique thermodurcissable qui résistent à des températures comprises entre 400 et 1 000 °C. Leur vocation est de remplacer le titane, l'acier et les alliages comme l'inconel. Applications envisagées : écrans thermiques, tuyères d'échappement et pièces de protection thermique dans les moteurs. Ces éléments, encore au stade de la recherche, visent l'aviation civile et militaire. « Les grands donneurs d'ordres du secteur sont intéressés mais la phase de test n'est pas encore terminée », commente Christophe Buchler, de Pyromeral Systems.

Plus en hauteur, les composites restent à l'aise, même exposés à un environnement difficile. Exemple avec Multiplast, associé avec Thales, qui doit fabriquer 25 cabines de radiotélescopes dans le cadre du programme astronomique Alma, dans le désert d'Atacama, au Chili. A 5 000 mètres d'altitude, les cabines seront soumises à des températures variant de -40 °C à +50 °C. Des écarts importants qui induisent des déformations et peuvent altérer les mesures effectuées par les antennes paraboliques. « Nos composites se déforment 10 à 20 fois moins que l'acier et l'aluminium couramment utilisés », affirme Dominique Dubois, le président de Multiplast. Cette société française met en oeuvre une résine époxy avec des fibres de carbone pitch, une famille de fibres qui possèdent un coefficient de dilatation thermique proche de zéro. De quoi passer sans encombre de l'ombre à la lumière.