Composites: matériaux du futur
Steffi Graft et Ivan Lendl forment un couple unique dans le monde du tennis en mode masculine. Les deux utilisent une éponge ou une raquette en résine renforcée de fibre de carbone. La transmission du coup qui est obtenu avec ce matériau pousse mieux la balle, favorisant plus le poignet.
Monsieur Singh était un créckettiste indien, un joueur de haute qualité. Un accident l'a forcé à couper la jambe droite à la hauteur du genou. Après avoir récupéré les conséquences de cette intervention, Singh a suivi un programme de réhabilitation musculaire avant l'implantation de la prothèse d'aluminium. Cette prothèse était trop lourde pour que le joueur retrouve sa première légèreté. Il a été remplacé par une prothèse de couche époxy et fibre de verre, pesant 2,1 kg. Cette prothèse a permis au joueur Singh d'atteindre une vitesse de lancement de 85 km/h, avec une vitesse maximale de 110 km/h avant l'accident. Par la suite, l'évolution de ces matériaux a permis à ce joueur d'appliquer une jambe artificielle de 1,4 kg de poids. Cela a permis d'atteindre la vitesse maximale de tir que vous aviez dans votre journée.
L'équipe canadienne de hockey a commencé à utiliser un “bâton” de résine renforcée depuis l'année dernière avec de la fibre de verre. Grâce à ce bâton, la réverbération acoustique obtenue lorsque le joueur frappe la balle disparaît, augmentant la puissance du coup. Il existe actuellement des groupes nationaux qui ont commencé à utiliser des matériaux similaires.
Nouveau matériau
Ski, vélo, roue lenticulaire… tous ces produits ont un rapport entre les matériaux qui forment, c'est-à-dire les composites. Il ya six ans, le mot était presque inconnue dans notre environnement, et est actuellement utilisé dans de nombreux domaines et domaines. Le critère utilisé pour fixer les époques passées par l'humanité est, dans certains cas, celui du matériel. C'est pourquoi nous parlons souvent de l'âge de pierre, de l'âge du bronze, de l'âge du fer et de l'âge de l'acier. Nous pouvons donc dire que nous sommes immergés dans l'âge de Composite avec une terminologie similaire.
Mais que sont ces matériaux qui ont bouleversé le concept de composite ou de matériau? Bien que le terme composite ait une signification confuse et large, il est généralement appelé l'association de deux matériaux macroscopiquement hétérogènes, dont les propriétés sont meilleures que celles de chaque composant en général. Le cas le plus commun entre composites est celui du matériau composite à fibre et une matrice. Un matériau continu appelé matrice est renforcée par une fibre qui améliore les propriétés mécaniques de l'ensemble. La fonction de la matrice sera d'enregistrer l'ensemble et de transmettre des efforts.
Comme exemple de ce type de composites, nous pouvons citer celui utilisé habituellement dans les automobiles. La maison Citröen a fabriqué la porte arrière de son BX avec un matériau de ces caractéristiques. Dans ce cas, une résine de polyester résistante à la corrosion a remplacé la plaque en acier. Pour obtenir des propriétés mécaniques similaires à l'acier (rigidité et résistance), la résine de polyester est renforcée avec de la fibre de verre. En outre, l'adhérence qui génère une interface ou une liaison adéquate entre résine et fibre, améliorera la tendance du composite à l'impact sur l'acier. Il semble donc logique que les modèles Peugeot-205, Renault-5 ou Renault-11 utilisent des amortisseurs à chocs avec ces matériaux.
Idée ancienne
L'idée de renforcer le matériau par une fibre est aussi ancienne que la civilisation humaine. Il y a des milliers d'années, dans l'ancienne Mésopotamie, l'argile renforcée de las-toz était un matériau commun pour la construction. L'argile interprète une matrice adaptable dans ce «composite». La paille, quant à elle, donnait à l'ensemble la rigidité et la résistance nécessaires à la construction, agissant comme la fibre.
Depuis lors, les matériaux ont totalement changé et l'humanité aussi, mais le concept de composite est similaire. Par conséquent, et individuellement, les deux matériaux invalides pour une application, forment un nouveau matériau avec des propriétés améliorées formant un ensemble hétérogène mais utile. Et dès que ce matériau fut fermé à la maturité technologique, le concept de composite couvrit largement tous les domaines et domaines de notre société. Cela est arrivé après la Seconde Guerre mondiale, en raison de l'énorme évolution des résines organiques.
Ces matériaux polymériques avaient deux propriétés principales (utiles pour certaines zones) : être isolants pour la construction et les applications électriques, et légèreté pour les applications de transport. Cependant, les propriétés mécaniques de ces matériaux étaient trop faibles, il était donc impossible de remplacer les matériaux conventionnels lorsqu'une rigidité élevée ou une résistance mécanique était nécessaire.
Par ailleurs, outre l'évolution de ces résines organiques, la technologie de fabrication des fibres qui seraient utilisées pour renforcer a également considérablement progressé. Parmi eux se distingue la fibre de verre, qui par son rapport qualité/prix a une plus grande utilisation.
Le processus de fabrication de cette fibre consiste en la fusion du verre fondu, formé de silices, à travers une série de tubes, après un processus de tirage à grande vitesse. Carrosseries automobiles, autobus, extérieurs et intérieurs de trains, cannes de pêche, intérieurs d'avions et d'autres pièces se composent principalement de fibre de verre. La forme de cette fibre dans chaque cas dépendra de l'application. Par exemple, vous pouvez utiliser une longue fibre unidirectionnelle. Aussi un tissu bidimensionnel, formant un ensemble dispersé en deux dimensions appelé “mat” ou formant des formes multidimensionnelles. Le monde des composites a donc une nouvelle variable, celle de la forme.
Rêve réalité réalité
Des carrosseries, des isolants et des produits similaires ont été mentionnés. Mais comment obtenir une pièce structurelle avec de meilleures propriétés que l'acier? Ce qui était autrefois un rêve des designers, est devenu une réalité grâce à la fibre de carbone. La fibre de carbone est un matériau plus rigide que l'acier, avec un poids CINQ fois plus faible. A titre d'exemple, on peut voir dans l'image la devise qui suit l'Airbus-320. Cette devise est constituée de résines époxy et de fibres de carbone.
Actuellement, des hélices et des rotors d'hélicoptères sont également fabriqués. La large utilisation des composites dans des applications aéronautiques a rendu possible la fabrication d'avions indétectables avec des radars. Et s'il convient d'obtenir une résistance spéciale à l'impact, Kevlar a beaucoup à voir. Le blindé et son utilisation dans les guerres contre les balles (gilets) a quelque chose à voir avec elle.
Le composite a au moins deux composants. Chacun d'eux peut être un matériau différent. Ils ont différentes applications et propriétés mécaniques évidentes: légèreté élevée, isolation électrique, propriétés thermiques intéressantes et résistance à la corrosion. Cependant, nous n'avons pas encore mentionné deux des avantages les plus remarquables de ce type de matériaux: l'anisotropie et sa capacité à intégrer des pièces et des fonctions.
Que dire de l'anisotropie? Comme les composites sont composés de fibres, nous pouvons les orienter dans les directions où des efforts mécaniques doivent être appliqués. Par exemple, dans la conception d'une barre qui passe par traction pure, il serait logique d'utiliser un composite de fibres unidirectionnelles. Si l'effort mécanique était torsion, nous attraperions le tissu cylindrique ou la fibre enroulée comme solution appropriée. Pourquoi dépenser du matériel dans des directions inutiles ? Que obtenons-nous avec des propriétés inutiles? Cette capacité de conception en fonction de chaque besoin peut devenir un outil énorme pour le concepteur.
Mais cet avantage a aussi ses erreurs. Bien que l'optimisation de la conception de ces matériaux offre des possibilités exceptionnelles, le concepteur a besoin d'une grande connaissance des composites. Plus d’un a défini les composites comme “matériau de carte”. Chaque client a un besoin. Un produit pour chaque besoin. Et chaque produit a un matériau différent. Le matériau doit être conçu avec la pièce.
Fonctionnalité
La capacité d'intégration des fonctions a également été mentionnée. Expliquons ce concept par un exemple. En 1983, la maison Peugeot a décidé de concevoir une nouvelle pièce de composite pour son nouveau modèle. Le modèle était le 405 que nous connaissons aujourd'hui. À l'avant de la voiture, sous le capot, il y a trente composants avec différentes fonctions; support d'amortisseur de choc, radiateur, porte-lampes, etc. L'idée conçue par Peugeot a consisté à concevoir un boîtier répondant aux objectifs suivants :
- Support d'amortisseur de choc avec une fonction structurelle.
- Améliorer la résistance de torsion de la façade automobile, formant un axe de droite à gauche.
- Faciliter le montage de tous les composants et pièces qui composent l'avant de la voiture.
Cela permet l'utilisation de robots, réduisant considérablement les coûts de ce processus.
Pour la réalisation de ces objectifs a été conçu en composite (S.M.C. “Sheet Moulding Compound” avec résine de polyester et fibre de verre comme principaux composants). Le module ci-dessus est affiché dans l'image. Cette pièce est entièrement montée sur un bloc dans la chaîne de fabrication, facilitant le travail et réduisant les coûts. Dans ce cas, la conséquence de l'utilisation de composites a été l'intégration des fonctions des différentes pièces en une seule, l'augmentation de la fiabilité de la pièce et la réduction des coûts de montage. Les composites ont réveillé le passe-temps au design.
Les applications aéronautiques et les pièces fabriquées pour véhicules terrestres ont été mentionnées. Mais que dire de la mer ? Le dernier voilier présenté par la Grande-Bretagne lors de compétitions internationales a été un trimaran de 18 mètres de long. Le voilier nommé «Spirit of Apricot» a un coût de plus de 50 millions de pesetas et a été construit principalement avec de la résine époxy et fibre de carbone. Le designer, Barry Noble, dit: Tous les moyens ont été utilisés pour obtenir le plus grand rapport appelé “poussée/poids”. Les matériaux les plus avancés ont été utilisés : fibre de carbone dans le casque, flotteurs et titane dans les circuits hydrauliques à haute pression. Ne pensez pas que ce cas est une exception.
La diffusion de ces matériaux a été soulignée dans ce domaine. 95% des bateaux de plaisance portent des composites. Le composite porte 99% des voiliers de moins de 9 mètres de long, dont 92% ont entre 9 et 12 mètres de long et 79% ont plus de 12 mètres. Dans ce cas, la légèreté, la résistance à la corrosion de ces matériaux et leur goût du design sont les principales causes de ce remplacement.
Que dire du futur ?
Et que disons-nous de l'avenir ? Jusqu'à présent, la diffusion de ces matériaux a été extraordinaire. La prochaine étape dans cette évolution peut être l'incorporation aux grandes séries de fabrication d'automobiles. Cependant, les processus de transformation des composites n'ont pas encore atteint la maturité atteinte par les matériaux conventionnels. Mais cette marche s'améliore. Il existe actuellement des processus permettant de fabriquer 500 pièces par jour avec un moule. Et le temps de traitement d'une minute est à peine une utopie. T.R.E. (Thermoplastiques formés par estampage).
Grâce à cette technique, les lames en composite thermoplastique sont traitées à froid par un procédé similaire à l'emboutissage métallique. Le principal avantage de ce processus est la recyclabilité des matériaux utilisés, car ils sont des matériaux thermoplastiques. Le faible niveau d'automatisation que présentent ces processus de transformation rend difficile leur diffusion. Cet élévateur lourd est un problème qui peut être résolu en fonction de l'augmentation des séries grâce à l'utilisation d'automatismes.
Les matériaux mentionnés ci-dessus sont les plus communs, avec matrice organique. Cependant, chaque jour, de nouvelles matrices et fibres sont générées dans ce domaine. Le concept de composite a été traduit en matériaux métalliques et céramiques. Les alliages métalliques sont renforcés par des fibres céramiques formant des composites à matrice métallique (M.M.C. Métal Matrix Composites). Ces matériaux sont actuellement largement utilisés dans le domaine aéronautique, car ils ont des propriétés uniques. Les céramiques fragiles sont également renforcées par des fibres céramiques, obtenant du matériel de difficulté; Ceramic Matrix Composites (C.M.C.) les dénommées.
Il mentionne actuellement la fabrication de pistons de moteurs diesel avec ces matériaux. De nouveau céramiques renforcées de fibres, comme l'ancienne argile de Mésopotamie... Par ailleurs, de nouvelles matrices organiques, appelées PEEK, PES, PSP, etc., ont également été créées. qui peuvent dépasser 350ºC.
Ils oublieront les mouchoirs actuellement utilisés. Les nouvelles matrices remplaceront celles actuelles. Mais le concept de composite avancera. C'est plus que du matériel pur. Peut-être nouvelle idée de conception.
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