Guide complet des matériaux composites : types, fabrication, usages

Qu’est-ce qu’un matériau composite ?

La fabrication associe au moins deux constituants de nature différente afin de combiner leurs caractéristiques et d’obtenir les performances recherchées.Cette association permet notamment de rechercher un meilleur compromis entre poids, résistance mécanique, durabilité et contraintes d’utilisation.

Deux constituants jouent alors un rôle fondamental :

La matrice, qui assure la cohésion du matériau et maintient les différents constituants ensemble

Le renfort, généralement constitué de fibres, qui contribue principalement aux performances mécaniques.

Leur nature, leur proportion, l’orientation des fibres et le procédé de fabrication permettent d’adapter les performances aux contraintes de l’application.

Cette possibilité d’adapter le matériau aux contraintes de son utilisation constitue l’un des principaux intérêts des composites dans l’industrie.

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De quoi sont constitués les matériaux composites ?

Dans les composites à matrice polymère, trois familles d’éléments sont particulièrement importantes : la matrice, les renforts et les additifs.

La matrice assure la cohésion du matériau composite

La matrice entoure et maintient les renforts. Elle donne sa forme à la pièce et participe à la transmission des efforts entre les fibres.

Elle contribue également à protéger le renfort contre certaines agressions extérieures.

Dans les composites utilisés pour les équipements industriels, on rencontre notamment des matrices à base de résines thermodurcissables, telles que les résines polyester, vinylester ou époxy.

Le choix de la résine dépend des performances recherchées, du procédé de fabrication et des conditions auxquelles la pièce sera exposée.

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Les fibres constituent le renfort mécanique

Les fibres apportent une part importante de la résistance mécanique du composite. Leur nature, leur proportion et leur orientation participent directement aux performances de la pièce obtenue.

La fibre de verre est particulièrement répandue dans l’industrie grâce à son compromis entre performances mécaniques, résistance à la corrosion et coût. Elle est notamment utilisée pour la fabrication de nombreux équipements destinés aux infrastructures et au secteur pétrolier.

La fibre de carbone offre un excellent rapport résistance/poids ainsi qu’une rigidité élevée. Elle répond davantage aux applications dans lesquelles l’allègement et les performances mécaniques constituent des critères déterminants.

Les fibres d’aramide présentent quant à elles une bonne résistance aux chocs et sont employées dans certaines applications techniques spécifiques.

Les additifs adaptent certaines propriétés

Des charges, pigments et autres additifs peuvent compléter la formulation du composite.

Ils permettent d’adapter certaines caractéristiques du matériau à son environnement d’utilisation : aspect, couleur, comportement au feu, résistance aux UV, conductivité ou propriétés de surface.

La formulation d’un composite dépend donc directement des contraintes de son application finale.

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Quels sont les différents types de matériaux composites ?

Il existe de nombreuses familles, elles peuvent notamment être distinguées selon la nature de la matrice, du renfort utilisé et des performances recherchées.

Dans les applications industrielles, les composites à matrice polymère renforcée de fibres occupent une place importante en raison de leur combinaison de résistance mécanique, légèreté, durabilité et résistance à la corrosion.

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Les composites renforcés de fibres de verre

Les composites renforcés de fibres de verre, souvent désignés par les termes PRV (Plastique Renforcé de fibres de Verre)  ou GRP en anglais (Glass Reinforced Plastic), sont largement employés dans l’industrie.

Ils permettent notamment d’obtenir un bon compromis entre résistance mécanique, faible masse, résistance à la corrosion, isolation électrique et durabilité.

Certains composites renforcés de fibres de verre présentent également une bonne transparence aux ondes électromagnétiques. Cette propriété constitue un avantage pour les équipements protégeant des capteurs ou des systèmes de communication et de télérelève.

C’est cette famille de matériaux que l’on retrouve notamment dans de nombreux tampons et trappes composites industriels, en particulier dans le secteur pétrolier, les réseaux techniques, les télécommunications et les infrastructures.

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Les composites renforcés de fibres de carbone

Les composites carbone associent généralement une matrice polymère à des fibres de carbone.

Ils se distinguent par leur faible masse, leur grande rigidité et leur excellent rapport entre résistance mécanique et poids. Ces caractéristiques expliquent leur utilisation dans des applications où les performances mécaniques et l’allègement constituent des critères déterminants.

Leur coût est cependant généralement supérieur à celui des composites renforcés de fibres de verre, ce qui les destine davantage à des applications techniques spécifiques.

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Les composites à fibres d’aramide

Les fibres d’aramide sont recherchées pour leur résistance mécanique, leur légèreté et leur capacité à absorber les chocs.

Elles sont notamment employées dans certains équipements de protection ou dans des applications nécessitant une forte résistance aux impacts.

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Les composites à matrice polymère

Les composites à matrice polymère regroupent les matériaux dont la matrice est constituée d’un polymère associé à un renfort, généralement sous forme de fibres.

Selon l’application et le procédé de fabrication, la matrice peut notamment être thermodurcissable ou thermoplastique.

Ces matériaux sont particulièrement intéressants lorsque l’on recherche une combinaison de légèreté, résistance mécanique, durabilité et résistance aux agressions environnementales.

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Comment sont fabriqués ces matériaux ?

Il n’existe pas un procédé unique de fabrication des composites. La technologie employée dépend de la géométrie de la pièce, des matériaux utilisés, du volume de production et des performances attendues.

Pour les équipements composites proposés dans l'environnement GEFI, deux technologies méritent particulièrement d’être distinguées : le moulage RTM et le SMC par compression.

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Le moulage RTM injecte la résine dans un moule fermé

Le RTM ( Resin Transfer Moulding) est un procédé de fabrication en moule fermé.

Le renfort fibreux est d’abord positionné à l’intérieur du moule. Celui-ci est ensuite fermé, puis la résine est injectée afin d’imprégner le renfort. Après polymérisation, la pièce obtenue peut être démoulée.

Ce procédé permet de fabriquer des pièces composites aux géométries maîtrisées avec une bonne répétabilité du processus.

Dans le contexte des produits présentés dans cet article, Fibrelite utilise le procédé RTM pour la fabrication de ses tampons composites monolithiques en GRP.

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Le SMC utilise un matériau moulé par compression

Le SMC (Sheet Moulding Compound) repose sur l’utilisation d’un matériau préimprégné composé notamment de résine, de fibres de verre et d’additifs.

La matière est placée dans un moule puis comprimée sous l’effet de la pression et de la température.

Ce procédé est particulièrement adapté à la fabrication répétitive de pièces présentant des caractéristiques mécaniques définies et une géométrie précise.

Il est notamment utilisé pour la fabrication de certaines gammes de tampons composites GEFI MM.

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Le procédé influence directement les performances

Le choix du procédé de fabrication joue un rôle déterminant dans les caractéristiques finales d’une pièce composite.

La répartition et l’orientation des fibres, leur imprégnation par la résine, la pression de moulage ou encore les conditions de polymérisation influencent directement les performances mécaniques et la qualité de la pièce obtenue.

Deux équipements désignés comme « composites » peuvent donc présenter des conceptions, des procédés de fabrication et des performances très différents.

Quelles sont les propriétés des matériaux composites ?

Leurs propriétés dépendent de sa matrice, de la nature et de l’orientation des fibres, des additifs utilisés ainsi que du procédé de fabrication.

Cette capacité à ajuster la formulation permet de concevoir des pièces adaptées à des contraintes industrielles très différentes.

Un excellent rapport entre résistance et poids

L’un des principaux intérêts des composites réside dans leur rapport résistance/poids.

Les renforts en fibres permettent d’obtenir de bonnes performances mécaniques tout en limitant la masse de la pièce. Pour des équipements régulièrement ouverts ou manipulés, comme les trappes et tampons, cette réduction de poids peut faciliter les opérations d’exploitation et de maintenance.

Dans le cas des solutions Fibrelite, certaines configurations présentent un poids inférieur au tiers de celui de solutions traditionnelles comparables.

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Une forte résistance à la corrosion

Contrairement aux matériaux métalliques, les composites ne sont pas soumis aux mêmes phénomènes de corrosion.

Cette propriété représente un avantage important dans les environnements exposés à l’humidité, à l’eau ou à certaines substances chimiques.

Elle est particulièrement intéressante dans le secteur pétrolier, mais également pour les installations de traitement de l’eau, les réseaux enterrés et certains environnements industriels agressifs.

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Isolation électrique et transparence aux ondes

Certains composites renforcés de fibres de verre présentent des propriétés d’isolation électrique intéressantes pour les infrastructures abritant des équipements ou des réseaux électriques.

Ils peuvent également présenter une bonne transparence aux ondes électromagnétiques. Contrairement à un couvercle métallique, ils peuvent ainsi faciliter la communication avec certains capteurs ou équipements installés sous une trappe ou un tampon.

Cette caractéristique présente notamment un intérêt pour les systèmes de télérelève, de transmission de données et de communication à distance.

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Des propriétés adaptées à l’environnement

La formulation d’un composite peut être adaptée aux conditions dans lesquelles l’équipement sera installé.

Le choix de la résine, des fibres et des additifs permet notamment d’agir sur la résistance aux UV, le comportement au feu, les propriétés de surface, la couleur ou la résistance à certaines substances chimiques.

Il est donc essentiel de sélectionner le matériau en fonction de son environnement réel d’utilisation et non sur la seule désignation « composite ».

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Avantages et limites de ces matériaux :

Ils présentent de nombreux avantages pour les applications industrielles, mais leurs performances dépendent fortement de leur composition, de leur conception et de leur procédé de fabrication.

Parmi leurs principaux atouts, on peut notamment retenir :

- Un excellent rapport résistance/poids

- Une bonne résistance à la corrosion

- Une réduction du poids des équipements

- Des propriétés d’isolation électrique selon leur composition

- Une possible transparence aux ondes électromagnétiques

- Une grande liberté de conception et de moulage

- La possibilité d’adapter certaines propriétés à l’environnement d’utilisation

- Des possibilités de personnalisation en matière de dimensions, de forme, de couleur ou de finition.

Pour les trappes et tampons composites, ces caractéristiques peuvent contribuer à faciliter la manutention, améliorer les conditions d’exploitation et réduire certaines contraintes de maintenance.

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Les limites à prendre en compte

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Le terme « composite » recouvre une grande diversité de matériaux et ne constitue pas, à lui seul, une garantie de performance.

Plusieurs paramètres doivent être étudiés :

- Le coût, qui varie selon les fibres et les résines utilisées

- Les méthodes de réparation, qui peuvent être plus spécifiques

- Les performances mécaniques liées à la formulation et au procédé de fabrication

- Le comportement au feu selon l’environnement concerné

- La complexité du recyclage de certains composites thermodurcissables

- La nécessité d’un dimensionnement adapté aux charges et aux conditions réelles d’utilisation.

- Le choix doit donc être réalisé à partir des contraintes techniques de l’installation et des performances attendues.

Le terme « composite » ne suffit pas à définir les performances d’un équipement. La nature de la résine, le type de fibres, le procédé de fabrication, la géométrie de la pièce et sa classe de résistance doivent être étudiés conjointement.

Pour un tampon ou une trappe d’accès, il faut donc raisonner à partir de l’usage réel et de la classe de charge requise, et non uniquement à partir du matériau.

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Quels sont les principaux usages industriels des composites ?

Leur faible poids, leur résistance à la corrosion et leurs propriétés mécaniques expliquent leur utilisation dans des environnements industriels très variés.

Des accès plus pratiques dans le secteur pétrolier

Dans le secteur pétrolier et les stations-service, les trappes permettent d’accéder aux cuves, canalisations et réseaux techniques. Les solutions renforcées de fibres facilitent leur manipulation tout en résistant aux environnements humides et corrosifs.

Leur transparence aux ondes électromagnétiques peut également faciliter la communication avec des capteurs ou systèmes de télérelève installés sous le couvercle.

Une meilleure tenue dans les réseaux d’eau

Dans le traitement de l’eau et l’assainissement, l’humidité permanente et certains environnements agressifs peuvent accélérer la dégradation des équipements métalliques.

Les solutions en fibres renforcées offrent une alternative intéressante pour les regards, réseaux d’eau et accès techniques, notamment grâce à leur résistance à la corrosion.

Des accès compatibles avec les réseaux communicants

Pour les infrastructures électriques et de télécommunications, certaines formulations associent isolation électrique et transparence aux ondes électromagnétiques.

Elles peuvent ainsi convenir aux accès protégeant des compteurs, capteurs ou équipements nécessitant une transmission de données à distance.

Les composites pour les trappes et tampons

Les trappes et tampons constituent une application particulièrement intéressante de ces technologies. Ils peuvent remplacer certaines solutions traditionnelles en fonte, acier ou béton tout en répondant aux contraintes mécaniques de l’installation.

Des trappes plus légères pour simplifier les interventions

La réduction du poids facilite l’ouverture et la fermeture des accès lors des opérations de contrôle et de maintenance.

Cet avantage devient particulièrement important lorsque les équipements doivent être manipulés régulièrement par les opérateurs.

Une résistance adaptée aux zones piétonnes ou circulées

Le choix d’un tampon dépend avant tout de son emplacement et des charges auxquelles il sera soumis.

Les solutions Fibrelite peuvent répondre à différentes classes de charge EN 124, de A15 à F900, selon les produits et leurs applications.

Fibrelite et GEFI MM répondent à des besoins différents

GEFI propose notamment deux familles de solutions qui se distinguent par leur conception et leur procédé de fabrication : Fibrelite, avec la technologie RTM, et certaines solutions GEFI MM, fabriquées selon un procédé SMC.

Le choix dépend notamment des dimensions, charges, conditions d’exposition et fréquence d’ouverture.

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Comment choisir un composite selon l’application ?

Le choix ne doit pas reposer uniquement sur la nature du matériau. Il faut analyser les conditions réelles auxquelles l’équipement sera confronté.

Pour une trappe ou un tampon, les principaux critères sont la classe de charge, les dimensions de l’accès, l’environnement, la fréquence d’ouverture, les contraintes de manutention et les éventuelles exigences électriques ou de communication.

Dans le secteur pétrolier, la présence d’hydrocarbures et les conditions particulières d’exploitation doivent également être prises en compte.

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Pourquoi choisir GEFI pour vos équipements composites ?

L’analyse GEFI porte notamment sur l’environnement, les dimensions de l’accès, les charges supportées, la fréquence d’ouverture et la nature du réseau à protéger.

Cette approche permet d’orienter le choix vers une solution adaptée aux besoins des sites pétroliers, réseaux d’eau et d’assainissement, installations électriques, télécommunications et infrastructures industrielles.