Présentation
Auteur(s)
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Christophe BALEY : Docteur de l’Université et de l’École centrale de Nantes - Enseignant-chercheur à l’Université de Bretagne Sud
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Lire l’articleINTRODUCTION
Un matériau composite se définit comme un arrangement de fibres – continu ou non – d’un matériau résistant (le renfort), noyé dans une matrice dont la résistance mécanique est beaucoup plus faible. La matrice (le liant) conserve la disposition géométrique du renfort et lui transmet les sollicitations auxquelles est soumise la pièce. Elle peut appartenir à la famille des polymères, des métaux ou des céramiques.
Dans cet article ne sont abordées que les fibres organiques et naturelles, et les matériaux composites associés, à matrice polymère.
Sous le terme « fibres naturelles » se trouvent des fibres organiques, d’origine végétale (cellulosique) et animale (protéinique), et des fibres minérales telles que l’amiante.
L’utilisation de fibres naturelles comme renfort de matériaux composites se justifie pour :
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valoriser une ressource locale dans des pays peu industrialisés ;
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développer des matériaux et des technologies prenant en compte les impacts sur l’environnement.
L’objectif de cet article n’est pas de faire un inventaire de toutes les fibres disponibles, mais de présenter les exemples les plus intéressants.
Si de nombreuses variétés de fibres naturelles existent, pour la fonction de renfort on constate que les fibres présentant les performances les plus intéressantes ont un rôle structurel dans la nature. Les propriétés des différentes fibres naturelles organiques sont présentées dans cet article, mais il faut rappeler que, compte tenu de leur caractère naturel, leurs performances sont dispersées. Il ne faut donc pas conclure hâtivement de la supériorité ou du manque d’intérêt de telle ou telle variété.
Les fibres végétales sont couramment utilisées car ce sont les fibres les plus disponibles. Leur structure complexe est assimilable à celle de matériaux composites renforcés par des fibrilles de cellulose disposées en hélice. Les paramètres les plus importants sont le pourcentage de cellulose (renfort) et l’angle microfibrillaire (orientation du renfort).
Les soies animales, bien que peu utilisées, présentent un allongement à rupture très important. Cette caractéristique illustre l’intérêt qu’elles présentent car, en terme d’absorption d’énergie mécanique, les soies sont inégalées dans le monde des fibres synthétiques et naturelles.
Les technologies de transformation utilisables pour la réalisation de pièces en matériaux composites sont identiques à celles utilisées pour des fibres de synthèse en veillant toutefois à ne pas dépasser une température de 200 à 230 oC, qui correspond au début de la dégradation.
L’utilisation de biocomposites, association d’un biopolymère (polymère biodégradable) et de biofibres (fibres biodégradables), présente des avantages pour le recyclage. En effet, ils permettent la réalisation de pièces qui, en fin de vie, seront broyées puis incorporées dans un compost.
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VERSIONS
- Version archivée 2 de janv. 2013 par Christophe BALEY
- Version courante de juil. 2020 par Christophe BALEY
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Matériaux composites et fibres naturelles4. Fibres d’origine animale
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Ver à soie
La soie du ver à soie est utilisée par l’homme depuis des siècles. Le fil de soie est formé par la sécrétion séchée d’un insecte sérigène, comme le ver à soie du mûrier (Bombyx mori ). Lors de la transformation de la chenille en papillon, la chenille confectionne un cocon. Elle sécrète une bave filamenteuse dans laquelle elle s’enroule. Le cocon terminé comporte une trentaine de couches de fil. À l’intérieur, l’insecte se transforme en chrysalide, puis en papillon et quitte le cocon. Les insectes sont tués avant l’ouverture du cocon, et le fil de soie débobiné. On le considère comme le seul fil continu fourni par la nature et il se compose de filaments d’une longueur comprise entre 800 m et 1 200 m. Cette sécrétion est composée de deux substances ; la fibroïne (75 à 80 %), accolée par un ciment : le grès (20 à 25 %) ; d’où le nom de soie grège. La soie sauvage, telle la soie tussah, est produite par des chenilles non domestiquées (Antherea Pernyi ). La fibre de soie a une section triangulaire, ce qui confère aux tissus de soie des qualités spéciales de réflexion de la lumière, les distinguant des autres tissus par leur aspect dit soyeux. Le coût de sa production en fait essentiellement un textile de luxe.
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Araignée
Les araignées produisent un fil constitué lui aussi de protéines. Ses performances mécaniques intéressent nombre de chercheurs pour la confection de textile technique ou pour le renforcement de matériaux composites [43]. C’est uniquement chez les araignées sédentaires que les pièges (les toiles) existent. Les types et la nature des soies sont divers et dépendent du type d’araignée. Les soies d’araignée ont différentes fonctions telles que : la capture de proies, la reproduction et la détection des vibrations [44]. Les performances mécaniques des soies d’araignées combinent résistance en traction, compression et ténacité. Les meilleures performances mécaniques mesurées sur des soies naturelles sont un module d’Young initial de 60 GPa, une contrainte à rupture de 2 900 MPa et un allongement à rupture jusqu’à 200 %. Cet allongement à rupture en traction très important explique que, pour l’absorption d’énergie mécanique, les soies d’araignée sont...
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