Matériaux composites à matrices métalliques

Les matériaux composites à matrices métalliques (CMM) ont été développés à partir des années 1960-1965 en deux vagues successives. Des efforts importants de recherche ont été menés aux États-Unis et en France dans les années 60 autour d’une fibre monofilamentaire de bore, sans véritable développement industriel ultérieur. Ce composite métal-métal était pénalisé par le coût très élevé de la fibre. À cette date, les applications envisagées étaient exclusivement orientées vers l’aéronautique et l’espace. Dans les années 80, la disponibilité de nombreuses nouvelles fibres céramiques a relancé les recherches dans ce domaine avec des perspectives de développement industriel plus encourageantes. Des exemples d’applications industrielles ont été développés dans l’automobile, à l’initiative de l’industrie japonaise.

Ces matériaux sont encore en pleine évolution, et les propriétés que l’on peut en attendre ne sont que partiellement connues ; elles sont très largement supérieures à celles des alliages métalliques. Elles s’accompagnent très souvent, pour les composites métal-renfort, d’une réduction de ductilité par rapport aux alliages métalliques. Cette caractéristique doit être prise en compte dans les règles de dimensionnement des pièces, et bien souvent une nouvelle conception de la pièce sera nécessaire. Cependant, l’ajout de plusieurs types de renforts (de tailles et de propriétés complémentaires) peut pallier à cette problématique et ainsi induire une augmentation de plusieurs propriétés physiques impossible avec l’ajout d’un seul type de renfort.

Les procédés de fabrication peuvent être répartis en trois grandes catégories qui permettent de moduler les taux de renforts et leur répartition, et de contrôler la nature des interfaces ou interphases. Il n'y a pas de méthode idéale de mise en œuvre des composites à matrices métalliques mais au contraire une nécessité de pouvoir choisir la méthode en fonction des microstructures et des propriétés attendues. C'est pourquoi il est important de connaître l'ensemble des techniques de mise en forme de ces matériaux.

L’utilisation d’une matrice métallique dans un composite présente plusieurs avantages par rapport aux matrices organiques :

• une meilleure tenue en température qui permet de reculer les limites d’utilisation en environnements moteurs ou structures hypersoniques ;

• de meilleures propriétés physiques (par exemple mécanique, thermique, électrique) intrinsèques de la matrice, permettant le renfort localisé ou unidirectionnel ;

• une meilleure tenue au vieillissement et au feu.

En revanche, les technologies de fabrication des composites à matrices métalliques sont en général plus complexes que pour les composites à matrice organique. Au cours de la fabrication, il faut assurer une bonne cohésion aux interfaces entre matrice et renfort, sans dégrader ce dernier. La liaison chimique fibre-matrice doit être réalisée avec une matrice en phase liquide, solide ou semi-liquide sans dégrader les propriétés intrinsèques des renforts utilisés. Si l’on ajoute à ces critères l’intérêt de matériaux légers et à propriétés spécifiques élevées, on comprendra que, parmi les différentes matrices métalliques disponibles, l’aluminium et ses alliages occupent une place privilégiée comme matrice de composites pour les transports et les pièces en mouvement.