Les composites sortent des sentiers battus

Nouvelles matières, assemblages inédits, fonctions actives... Les matériaux composites diversifient leurs formulations pour étendre les applications.

Aceux qui pensent encore qu'un matériau composite n'est rien d'autre qu'une résine renforcée par des fibres de verre ou de carbone, JEC 2008 aura permis d'élargir leur horizon. Le plus grand salon mondial des composites, qui a ac-cueilli 1 000 exposants, du 1er au 3 avril dernier, à Paris Expo, porte de Versailles, couvre toute la filière du secteur, des producteurs de matières jusqu'aux grands utilisateurs, notamment aéronautiques, en passant par les fabricants de machines, transformateurs, spécialistes du contrôle et instituts de recherche. C'est aussi une impressionnante vitrine de la diversité des matériaux qui entrent aujourd'hui dans la catégorie composites.

Pour le constater, nul besoin d'aller chercher des applications dans l'aéronautique et le spatial : pour des utilisations dans le BTP, le français Nidaplast propose des composites à base de matériaux traditionnels, marbres, bétons ou aciers. Des panneaux sandwiches qui associent des structures nid-d'abeilles en polypropylène à une plaque de matériau lourd. Cette technique permet de remplacer une plaque de marbre de 20 mm d'épaisseur par un sandwich qui n'en contient que 7 mm. Celui-ci est trois fois plus léger, sa résistance aux déformations est renforcée, et il améliore sa tenue aux chocs. Le matériau permet de réaliser des panneaux décoratifs, des sols, du mobilier... Sur le même principe, l'entreprise réalise des sandwiches avec un béton fibré (façades, mobiliers urbains), ou avec des aciers (portes techniques...).

des combinaisons de matières sur mesure

Autre innovation dans le sandwich, en Belgique, cette fois : l'association d'un nid-d'abeilles en polymère thermoplastique et de peaux en acier, le tout mis au point par Econcore, une start-up de l'université de Louvain, avec le centre de recherche Ocas d'ArcelorMittal, près de Gand. Le nid-d'abeilles ThermHex d'Econcore a la particularité d'être fabriqué en continu, par thermoformage, pliage et collage. Econcore et Ocas ont créé une entreprise commune, Elytra, qui devrait commercialiser ce matériau, léger et rigide, dès juin prochain.

Si le composite est par définition l'assemblage d'au moins deux matériaux, cette combinaison se fait de plus en plus « sur mesure », pour répondre précisément au cahier des charges de la pièce. Ainsi, dans la porte de coffre arrière des derniers modèles de la Smart - une application primée au JEC -, ce n'est pas le choix des matières qui est innovant : du polypropylène et des fibres de verre. En revanche, la pièce conçue par le suisse Esoro, et fabriquée en Allemagne par Weber Fibertech, associe une structure moulée en thermoplastique à fibres longues à des renforts constitués de fibres unidirectionnelles continues. L'avantage : la pièce est particulièrement renforcée dans les zones très contraintes. De plus, pour le même poids, la porte répond à des exigences au crash plus contraignantes que pour les modèles précédents. Enfin, comme elle s'adapte à deux versions de la Smart, le coût global est réduit de 10 %. Le procédé de fabrication, nommé E-LFT (Endlessfiber-Reinforced Long Fiber Thermoplastic), est entièrement automatisé et convient aux grandes séries de l'automobile.

Le britannique Advanced Composites Group a lui aussi développé une combinaison judicieuse de matières : sous le nom de Deform DCS (Deformable Composite System), le fournisseur de pré-imprégnés a mis au point un matériau qui réunit les avantages des fibres courtes - mise en forme précise et simple - et les performances structurales des fibres longues.

Toujours dans l'optique de renouveler les formulations, le composite n'échappe pas à la vague « nano », comme en témoignent deux réalisations présentées au JEC. Deux objets aquatiques : une planche de surf, et un jet ski. La planche, fabriquée par Ecomoana, est constituée d'une résine renforcée par des nanotubes de carbone, développée par le français Nanoledge, un producteur de nanotubes reconverti en fournisseur de résines chargées de nanoparticules. Ici, le recours aux nanoparticules se veut « écologique », puisqu'il permet d'obtenir des planches de surf utilisant moins d'additifs chimiques, à performances égales.

Quant au jet ski, signé Yamaha, sa particularité est d'avoir remplacé des pièces en composites SMC classiques (coque, capot, peau) par un matériau de nouvelle génération : une matrice en résine polyuréthane dans laquelle des nanoparticules de type argile se substituent aux charges en carbonate de calcium. La résistance et la faible densité de ce matériau « NanoXcel » ont permis une réduction de poids de 25 %. Avec des conséquences favorables sur les performances et la consommation de l'engin. L'histoire ne dit pas si le bilan environnemental est globalement favorable... Mais la nouvelle formulation à base de nanoparticules a au moins un avantage indéniable : elle améliore l'état de surface des pièces, leur aptitude à la peinture, et finalement réduit les défauts de production.

fibres de lin ou de basalte

Si les « nanos » ont le vent en poupe - pas seulement dans les composites -, la « macrostructuration » peut aussi donner des résultats intéressants : le procédé Vault-Structuring, de la société allemande InnoMat, crée des structures hexagonales tridimensionnelles (un « gaufrage ») sur une feuille de polymère ou de composites. Le procédé augmente la rigidité des feuilles, ce qui peut permettre de réduire leur épaisseur.

Les formulations innovantes des composites ont aussi recours aux fibres naturelles : l'incorporation de fibres végétales (chanvre, lin, bois...), en remplacement des fibres de verre, de loin les plus utilisées dans l'industrie des composites. Les fibres naturelles ont l'avantage d'être une ressource renouvelable, et recyclable. Des entreprises comme AFT Plasturgie et CRST, implantées en Côte-d'Or, en ont fait leur cheval de bataille, et présentaient leurs dernières réalisations : des pièces techniques ou pour l'automobile, chez AFT, tandis que CRST développe des textiles techniques intégrant des fibres naturelles, et destinés à la réalisation de matériaux composites. Par ailleurs, sur l'espace de démonstration de l'exposition, l'atelier de construction navale La Gazelle des sables, basé à Mesquer (Loire-Atlantique), avait installé un petit voilier dont la coque est fabriquée par injection sous vide de polyester renforcé de fibres de lin.

D'origine naturelle, mais avec des caractéristiques bien différentes, les fibres de basalte cherchent également à se faire une place aux côtés des renforts plus traditionnels. Fabriquées à partir de roches volcaniques, ces fibres sont particulièrement adaptées, sous forme de tissus, à la protection contre le feu ou les hautes températures. Mais leurs promoteurs, telles les sociétés belges Basaltex et Isomatex, visent aussi des applications dans les composites, qui mettent à profit les propriétés mécaniques de la fibre, supérieures à celles du verre. Basaltex présentait notamment des tissus de basalte multi-axiaux, conçus pour l'imprégnation par des résines époxy, phénolique et polyester. Mais aussi des tissus hybrides, combinant des fibres de basalte avec d'autres fibres : basalte/carbone, basalte/aramide, et basalte/verre.

les matériaux détectent eux-mêmes leurs défauts

Pendant que la palette des matières premières continue de s'enrichir, c'est dans une autre direction que les composites sont en train de progresser. En effet, dans le secteur aéronautique notamment, l'intégration de structures composites de plus en plus nombreuses pose des problèmes de maintenance et de sécurité. C'est pourquoi des laboratoires travaillent sur des matériaux capables de détecter leurs défauts, voire de s'auto-réparer. L'institut Fraunhofer (Allemagne) présentait ainsi un démonstrateur d'aile d'avion qui signale un endommagement - pouvant résulter d'un impact - dès son apparition. Le principe consiste à intégrer dans le matériau des capteurs et actionneurs piézo-électriques. Les actionneurs créent une onde acoustique dans le matériau, et les vibrations sont mesurées par les capteurs : l'apparition d'un défaut, tel qu'un début de délamination du composite, modifie le profil de l'onde, phénomène qui est immédiatement détecté par les capteurs. Principal sujet de recherche pour l'équipe du Fraunhofer : que ces capteurs et actionneurs intégrés n'aient pas d'effet négatif sur les propriétés mécaniques du matériau...

La société de R et D américaine CRG (Cornerstone Research Group) vise plus loin encore, avec un système « auto-cicatrisant » : en cas de dommages, la réparation se déclenche automatiquement, tandis que le pilote est informé des événements... Pour réaliser cette fonction « réflexe » - l'objectif est bien de réagir au plus vite -, CRG associe des techniques piézo-électriques à des polymères à mémoire de forme. A ce stade, le composite n'est plus seulement un matériau de structure, mais devient un véritable système actif. .