Les matériaux composites dans le sport
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Yves Rémond et Jean-François Caron Les matériaux composites dans le sport
Les matériaux
composites dans
le sport
Yves Rémond est professeur à est un assemblage de diffé-
l’Université de Strasbourg et à rents constituants. Une défi-
l’École européenne de chimie nition aussi générale recouvre
polymères et matériaux. Il est un très grand nombre de cas,
spécialiste de modélisation certains aussi répandus que
des propriétés mécaniques le béton, qui est un assem-
des polymères et composites. blage de cailloux, de sable et
Jean-François Caron est Direc- de ciment, d’autres avec des
teur de recherche à l’École des degrés de sophistication variés
Ponts ParisTech (ENPC) ; il et, la suite le montrera, parfois
enseigne à l’ENPC et à l’École très complexes.
Polytechnique. Il est spécia- Les matériaux compo-
liste de mécanique numérique sites fabriqués pour leurs
appliquée notamment aux propriétés d’usage par l’in-
structures composites. dustrie sont souvent consti-
L’incessante recherche de tués de fibres immergées au
performance qui caractérise sein d’une matrice49 (colle ou
le sport a conduit à l’utilisa- polymère). Les fibres peuvent
tion massive de nouveaux être fabriquées artificielle-
matériaux et en particulier au ment par synthèse chimique
recours aux matériaux compo- ou être naturelles, issues
sites. Le matériel et les équi- de la matière végétale. Les
pements sportifs (raquette organismes vivants donnent
de tennis, ski, etc., Figure 1) en effet des exemples de
donnent à chacun l’expérience matériaux composites d’une
pratique de ces matériaux dont incroyable complexité et
la présentation fait l’objet de ce même si les matériaux de
chapitre. synthèse sont loin de l’être
autant, il est intéressant de se
rapprocher de la nature pour
1 Qu’est-ce qu’un
matériau composite ? prendre la mesure des infinies
L’expression est assez parlante 49. Voir le Chapitre de N. Puget,
en soi : un matériau composite paragraphe 1.2.2.
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La chimie et le sport
Figure 1 possibilités de ces assem- élémentaires s’assemblent à
blages moléculaires. leur tour donnant naissance
De nombreux sports font appel à à d’autres assemblages aux
des matériaux composites : tennis, La Figure 2A représente le
snowboard, ski (voir le Chapitre de matériau composite le plus échelles supérieures jusqu’à
N. Puget), saut à la perche, etc. ancien à avoir été utilisé par cette structure macroscopique
l’homme : le bois. Au niveau bien connue des arbres.
Figure 2 moléculaire, on trouve les Qu’il s’agisse du monde
fibres de cellulose, polymère végétal, de celui des insectes
Le bois est le matériau composite de 200 à une dizaine de milliers (les carapaces chitineuses),
le plus ancien à avoir été utilisé
par l’homme (A) : il comporte
d’unités glucose (Figure 2B), des crustacés (les carapaces
des fibres de cellulose (polymère et la matrice, constituée des homards, Figure 3), ou
pouvant comporter une dizaine de de lignine, autre assem- de l’homme (les ongles,
milliers d’unités glucose : structure blage polymère (zoom sur la les cheveux), les exemples
chimique en B) et de la lignine. Figure 2A). Ces assemblages peuvent se multiplier à l’infini.
A B
196
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Les matériaux composites dans le sport
La conclusion est là : les orga-
nismes vivants « utilisent »
des matériaux dont l’étude
fait apparaître une hiérarchi-
sation de nombreux éléments
qui permet la fonction assi-
gnée par la nature – bref, des
matériaux composites.
La recherche de nouveaux
matériaux s’est inspirée de
tels exemples pour, en toute
humilité et à une échelle de
complexité bien modeste,
structurer les matériaux aux
différentes échelles pour qu’ils
répondent aux objectifs fixés.
2 De l’utilisation des
matériaux composites
idéal mettrait la résistance là Figure 3
La finalité de l’ingénieur est où il faut, en flexion. Un maté-
de disposer de matériaux qui riau composite permet de s’en Les organismes vivants tels que
répondent le mieux possible les mollusques sont composés de
rapprocher. On peut signaler
aux objectifs d’usage. Ceux-ci matériaux composites (carapaces,
aussi une « propriété » souvent etc.).
sont souvent multiples masquée par les fonctions
et contradictoires. On les principales des objets : celle
veut performants mais peu d’assurer la compatibilité du
coûteux ; résistants mais matériau avec son environ-
souples ; rigides mais légers. nement – l’eau, les chocs, la
La démarche est de réunir, fatigue… Là encore l’utilisa-
sous forme de matériaux tion de matériaux composites
composites, différents consti- pourra aider à résoudre les
tuants dotés chacun de l’une difficultés rencontrées (voir
des propriétés recherchées, les Chapitres de N. Puget et de
dans l’espoir que le matériau F. Roland).
final aura la somme de toutes
Les objets que nous allons
ces propriétés. La pratique
présenter plus loin, la raquette
montre que cette démarche
de tennis, la planche de snow-
est fréquemment couronnée
board, la perche de saut et le
de succès, au-delà même
casque de protection, sont tous
des espoirs puisqu’on obtient
faits de matériaux composites
parfois mieux que la somme
qui mélangent des fibres (prin-
des propriétés.
cipalement des fibres de verre
L’industrie automobile illustre ou de carbone) avec une colle.
cette situation : quand on La réalisation du composite à
fait des « ailes de voiture », partir de ses matériaux consti-
on veut qu’elles résistent à tutifs doit suivre les trois prin-
la flexion. Le choix du métal cipes suivants :
comme matériau conduisait à
leur donner une bonne résis- Contrôler l’interface
tance partout, même dans fibre-matrice
l’épaisseur où elle est inutile, Les efforts appliqués au maté-
voire néfaste. Un matériau riau le sont aussi bien à la 197
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La chimie et le sport
Figure 4 matrice qu’aux fibres, mais ce elles peuvent aussi être tissées,
sont les fibres qui sont résis- tressées, tricotées pour créer
Des fibres de géométries variées : tantes et non la colle. L’inter- des surfaces bi-dimension-
plaque stratifiée, unidirectionnelle
face entre les deux types de nelles tout comme le sont les
ou non, tissée, tressée…
constituants – fibres et colle tissus. Chaque type d’assem-
– est un endroit particuliè- blage présente des propriétés
rement sensible ; il y a donc différentes, par exemple par
lieu de bien la formuler. Les rapport à la résistance aux
chimistes sont capables de efforts. La géométrie la plus
caractériser cette interface, de adaptée à l’utilisation des
décrire les liaisons chimiques objets finis sera sélectionnée.
qui se forment et qui assurent À plus grande échelle, d’autres
la cohésion du matériau. Leurs choix se présentent : empile-
études permettent d’orienter ments de plans (qui donne les
la constitution du matériau matériaux qu’on appelle stra-
pour optimiser les perfor- tifiés), parallèles (unidirec-
mances de ces interfaces. tionnels) ou croisés, différents
Contrôler la géométrie types de tissage pour lesquels
des fibres (Figure 4) on utilise les mêmes mots
que pour les textiles – satin,
Le mot « fibre » évoque
sergé, toile, taffetas, ou même
les textiles, et en effet les
constructions de tresses, de
concepts du tissage peuvent
tricotages tridimensionnels…
être importés et employés
les ingénieurs s’en sont donné
pour conduire à une variété
à cœur joie.
d’assemblages. Si les fibres
peuvent être assemblées dans Contrôler l’assemblage
une géométrie où elles sont à grande échelle
toutes parallèles entre elles Un matériau, c’est bien sûr
198 (matériau unidirectionnel), une composition moléculaire,
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Les matériaux composites dans le sport
mais c’est aussi une géomé- cissable, thermoplastique),
trie et il s’agit de contrôler un métal (acier aluminium)
les assemblages à grande ou encore un céramique ; la
échelle, pour obtenir de fibre peut être un polymère
nouvelles propriétés. La d’origine végétale, un poly-
conception d’une plaque mère de synthèse comme
devant subir des efforts à la l’aramide (pour le Kevlar), une
flexion illustre cette situation. fibre de verre (pour les skis
Soit une plaque de Kevlar par exemple : voir le Chapitre
(Figure 5) – nom commercial de N. Puget), une fibre de
qui désigne des fibres d’ara- carbone, etc.
mides50 (voir le Chapitre de
Pour les matériaux du sport,
F. Roland) dans une colle.
deux propriétés mécaniques
Cette plaque qui, seule, n’a
vont jouer un rôle clé : la rigi-
pas de rigidité particulière
dité et la résistance.
en flexion est utilisée sous la
forme de « sandwich » : entre La rigidité est la mesure de la
deux plaques, on place un déformation sous une charge
matériau mou qu’on appelle (par exemple la flexion d’une
« nid d’abeille » qui n’a pas plaque, comme dans l’exemple
de rigidité propre mais dont la précédent). Les matériaux Figure 5
seule présence fait que l’as- composites permettent des Schéma du Kevlar, matériau
semblage sandwich devient rigidités considérables par découvert en 1965 par des
très rigide alors que chacun de rapports aux matériaux purs. chercheurs de la société DuPont
ses trois constituants séparé Pour donner des ordres de de Nemours.
est souple.
La conception d’un maté-
riau procède d’une démarche
inductive : dans une
première phase du travail,
les propriétés à obtenir
sont définies en fonction de
l’usage recherché ; dans une
deuxième phase du travail on
cherche la composition du
matériau qui va permettre le
respect de ces propriétés. Les
matériaux composites, avec la
complexité de constitution qui
vient d’être montrée, fournis-
sent une quantité de schémas
entre lesquels il faut choisir :
la matrice peut être poly-
mère ou résine (thermodur-
50. Les aramides sont une
classe de matériaux résistant à
la chaleur et/ou présentant de
bonnes propriétés mécaniques.
Ils ne peuvent être utilisés que
comme fibres, qui servent surtout
à la fabrication de matériaux
composites, en renfort de matrices
(voir aussi le Chapitre de F. Roland). 199
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La chimie et le sport
grandeur des rigidités que interviennent lors du fonction-
l’on peut obtenir, voici des nement du matériel doivent
valeurs données en GPa (giga- être identifiés et compris aussi
pascals) : pour le polyester ou bien que possible afin que l’in-
l’époxy, 1 à 5 ; pour des fibres fluence des divers paramètres
de verre dans une matrice (géométrie, propriétés intrin-
d’aluminium, 70 ; pour l’acier, sèques des matériaux de
à titre de comparaison, 200, et base, etc.) puisse être mise en
pour les fibres de carbone, de évidence ;
200 à parfois plus de 1 000. - modélisation. Cette étape a
La résistance, c’est la mesure pris une importance majeure
de la traction maximale dans toutes les « démarches
supportée par le matériau ; matériaux » d’aujourd’hui.
elle se mesure en méga- Le fonctionnement de l’objet
pascals (MPa). Les matrices final est simulé sur ordinateur
polymères dépassent rare- à l’aide de l’analyse quali-
ment quelques dizaines de tative et quantitative qu’ap-
MPa, l’aluminium se situe porte la phénoménologie. Ce
à 450 MPa. Entre 1 000 et travail permet de déterminer
1 500 MPa, on trouve les les valeurs-cibles des para-
meilleurs aciers. Mais la mètres (la géométrie, les
résistance des fibres de verre dimensions, le poids, etc.)
comme celle des fibres de et des propriétés (rigidité,
carbone peut s’élever jusqu’à résistance, etc.) qui permet-
4 000 à 5 000 MPa. Les fibres tront d’atteindre le résultat
de verre ne sont peut-être pas recherché ;
très rigides, mais elles sont - établissement d’un cahier
au moins aussi résistantes des charges. Il s’agit de
que celles de carbone (voir décider des caractéris-
le Chapitre de C. Lory). tiques que l’on veut obtenir
de l’objet recherché. Dans
le cas du matériel sportif, il
3 Conception de
matériels de sport :
quelques exemples
pourra s’agir du poids, de la
résistance, de la rigidité, du
frottement, de la tenue aux
contraintes thermiques etc.
Le mot « matériau » désigne Ces caractéristiques objec-
bien plus qu’un échantillon tives sont déduites de l’ana-
de matière. Il implique plus lyse du fonctionnement de
profondément une démarche l’objet, comme on le verra
très puissante du scientifique plus loin dans les exemples
et de l’ingénieur, démarche présentés. Les contraintes
qui comprend les phases correspondant à la faisabilité
suivantes, souvent d’ailleurs de l’objet (par exemple possi-
exécutées de façon itérative, bilité de soudure ou d’assem-
les résultats d’une phase blages) ne devront pas être
pouvant modifier les données oubliées ;
d’entrée d’une autre :
- la fabrication proprement
- conception générale de dite.
l’objet ; Les exemples qui suivent
- phénoménologie de l’objet visent à faire mieux saisir ces
en fonctionnement. Les différentes étapes du travail
200 phénomènes physiques qui – qui ont d’ailleurs soutenu
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Les matériaux composites dans le sport
avec succès l’épreuve de analyse vibratoire. Comme
servir de « projets » aux le fait une corde de guitare,
étudiants de l’École nationale la raquette frappée entre en
des ponts et chaussées. vibration et ces vibrations sont
marquées de « nœuds » et de
3.1. La raquette de tennis « ventres ». Si l’on tape sur la
(Figure 6) raquette à un nœud de vibra-
tion, la vibration ne se mani-
Conception festera pas. On devine l’intérêt
Si les raquettes existantes de faire coïncider le centre
permettent de concevoir l’objet Figure 6
de percussion avec le nœud
dans ses grandes lignes, il y de vibration – faute de quoi La raquette de tennis, un matériau
a lieu d’aller beaucoup plus le joueur, soumis à la vibra- composite qui associe des fibres et
loin selon les performances tion de la raquette, risque le une colle.
recherchées. fameux « tennis elbow »51.
Phénoménologie Établissement du cahier
Quelques exemples de phéno- des charges
mènes à étudier : Parmi les données d’entrée
- Comportement de la raquette du cahier des charges, il y a
sous percussion : centre de lieu de d’abord caractériser
percussion. La Figure 7 montre le joueur : sa morphologie,
une raquette suspendue par son niveau de jeu (coordina-
la poignée. Le comportement tion), son style de jeu (offensif
du point P dépend du point ou défensif), car tous ces
d’impact de la balle : pour un paramètres vont influer sur
certain point d’impact, le point le type de contraintes auquel
P reste immobile – c’est le
centre de percussion. C’est un 51. On appelle « tennis elbow » une
point important de la géomé- épicondylite, qui est un trouble
trie de la raquette qu’il faut musculosquelettique du coude, Figure 7
savoir prévoir avant la fabrica- caractérisé par une inflammation
douloureuse des structures si- Le centre de percussion P est un
tion de l’objet.
tuées à proximité de l’épicondyle point important de la géométrie de
- Comportement de la latérale, une petite saillie osseuse la raquette qu’il faut savoir prévoir
raquette sous percussion : à proximité de l’humérus. avant la fabrication.
201
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La chimie et le sport
la distribution des masses,
l’inertie52 que l’objet final devra
présenter – ainsi qu’en carac-
téristiques de résistance – à la
flexion, à la torsion.
Fabrication
La Figure 9 est issue du travail
Figure 8 sera soumise la raquette. des étudiants : en 1, l’image
Ces premières données sont numérique de la géométrie
Le centre de gravité et le poids ensuite traduites en propriétés
de la raquette doivent être choisie, qui a permis les calculs
objectives pour la raquette : sa de résistance, de rigidité,
caractérisés avec précision.
puissance (force des impacts), des modes de vibration etc. ;
sa capacité de contrôler la en 2, la fabrication du moule,
trajectoire de la balle (préci-
Figure 9 sion, récupération des coups
ratés), sa manœuvrabilité, 52. L’inertie est la propriété
1) Image numérique de la que possède un corps de rester
particulièrement sensible au
géométrie choisie, qui a permis les immobile (ou de conserver son
calculs de résistance, de rigidité, filet, son confort. Tout ceci mouvement) lorsque aucune
des modes de vibration etc. va se traduire en caractéris- force externe ne s’y applique, ou
2) Fabrication du moule. 3) Moule tiques statiques – le poids, le que les forces qui s’y appliquent
terminé. 4) Raquette terminée. centre de gravité (Figure 8), s’équilibrent.
1. Calcul EF
2. Fabrication du moule
4. Prototype
3. Moule de Silicone
202
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Les matériaux composites dans le sport
représenté terminé en 3 ; en 4,
la raquette terminée.
Dans la description de cette
démarche, le « matériau »
semble avoir disparu. En fait,
même caché, il est omnipré-
sent, car à chaque étape, il
conditionne les paramètres
qu’on sera capable d’at-
teindre ou non. À l’inverse,
d’ailleurs, le travail oriente
le choix des matériaux à
sélectionner ou pousse au
développement de nouveaux l’ordinateur et soumis à une Figure 10
matériaux. L’infinie richesse flexion ; la Figure 13B, celle du
des matériaux composites maillage utilisé pour le calcul La planche de snowboard est
ouvre évidemment des pers- faite d’un matériau composite
et qui permet la caractérisa-
pectives précieuses, large- qui doit résister aux nombreuses
tion de la variation d’épais- contraintes subies pas le sportif :
ment exploitées mais toujours seur d’un bout à l’autre de flexion, torsion…
renouvelées par de nouvelles la planche. L’objectif est de
possibilités de formulation. savoir quelle va être l’épais-
seur à un endroit donné et
3.2. La planche quel type de matériau compo-
de snowboard (Figure 10) site doit être utilisé pour la
fabrication du snowboard.
Conception
Établissement du cahier
Phénoménologie Figure 11
des charges
Quelques exemples de phéno- On caractérise la planche de
Ici encore, le cahier des charges
mènes à étudier : snowboard en flexion par trois
doit d’abord caractériser le points spécifiques : deux appuis
- La raideur en flexion. L’am- sportif : sa morphologie (son (bleu) et la force centrale appliquée
plitude de la déformation de poids), son niveau (débutant (rouge). Voir aussi le Chapitre de
la planche sous le champ de ou expert), son style (freestyle/ N. Puget.
contraintes de flexion, comme
indiqué sur la Figure 11, doit
être caractérisée.
- La raideur en torsion. L’am- Mesure du
déplacement
dé l t
plitude de la déformation de
la planche sous le champ de
contraintes de torsion comme
indiqué sur la Figure 12, doit
également être caractérisée. L
Modélisation
0
La géométrie choisie n’est
pas rigoureusement celle -0.6 0.6
x
d’une planche, mais un objet
dont on doit maîtriser la F
variation d’épaisseur pour
que la rigidité en flexion et
en torsion réponde exacte-
ment à ce que l’on attend. La
Figure 13A montre le modèle
Flexion trois points
de la géométrie entrée dans 203
chap8.indd Sec1:203 14/12/2010 17:23:14
La chimie et le sport
M esu re d e l’an g le Fabrication
Il faut bien que l’objet passe du
stade de modèle numérique à
celui d’objet réel. La Figure 14
F
montre des étapes de la fabri-
φ
cation d’une planche par les
élèves de l’École nationale
x des Ponts et Chaussées qui
en avaient fait l’étude.
d 3.3. La perche de saut
F
(Figure 15)
Comme la raquette de tennis
ou la planche de snowboard, la
perche du sauteur à la perche
C o u p le d e fo rces est le fruit d’un travail techno-
logique avancé. Ici, la concep-
tion du matériel doit peut-être
Figure 12 freeride53/freecarve) car tous encore plus tenir compte du
ces paramètres vont influer sportif lui-même que dans
L’amplitude de la déformation sur le type de contrainte auquel
de la planche sous le champ de les autres sports. Il faut non
contraintes de torsion doit être
sera soumise la planche de seulement que le sportif soit
caractérisée par des paramètres snowboard. Ces premières extrêmement puissant mais
précis. données sont ensuite traduites le « timing » du mouvement
en propriétés objectives pour est particulièrement difficile
le snowboard : sa capacité à contrôler : il convient de
à contrôler les trajectoires prévoir le moment précis où
(précision, rattrapage d’er- la restitution de l’énergie de la
reurs), sa manœuvrabilité perche vers le sauteur va être
(facilité du changement de la plus efficace.
direction, particulièrement
On utilise de nos jours prin-
Figure 13 sensible en freestyle), son
cipalement les fibres de
confort. Le choix de para-
On modélise une planche par un verre, quelquefois les fibres
mètres objectifs dépendra de
objet dont on doit maîtriser la de carbone, mais celles-ci
variation d’épaisseur pour que la l’usage recherché.
apparaissent encore comme
rigidité en flexion et en torsion insuffisamment déformables.
réponde exactement à ce que l’on 53. « Freestyle » : sport de glisse
La Figure 16 montre l’évolu-
attend (A). Pour cela, on réalise sur neige consistant à faire
un « maillage » permettant des figures en ski à l’aide de tion des records en saut à la
d’effectuer des calculs pour modules de neige ou de métal ; perche au cours des années
optimiser l’épaisseur de la planche « Freeride » : sport dans le cadre et donc en fonction des maté-
d’un bout à l’autre (B). d’une pratique extrême. riaux utilisés : au début, on
A B
204
chap8.indd Sec1:204 14/12/2010 17:23:15Les matériaux composites dans le sport
Figure 14
Les étapes de fabrication
d’une planche de snowboard. 205
chap8.indd Sec1:205 14/12/2010 17:23:16La chimie et le sport
Fibre de verre
SiO2 53-55 %
Al2O3 14-15 %
CaO 17-23 %
MgO 1%
Na2O3 0,8 %
B2O3 0-8 %
Fe2O3 0,3 %
TiO2 0,5 %
Tableau 1
Après être passée du bois au
Figure 15 bambou, du bambou à l’aluminium
La perche du sauteur à la perche est faite d’un matériau composite très (1960), pour être ensuite conçue
élaboré. en polyester et en fibre de verre
(aux Jeux olympiques de 1964), la
perche est maintenant faite d’un
(m) mélange de résines synthétiques,
6.5
de fibres de verre et de carbone,
Bois Bambou Métal Fibre de verre
lui conférant à la fois élasticité
6
et flexibilité, permettant l’« effet
catapulte ».
5.5
Droite de
5
régression composites ont été développés.
C’est l’occasion de rappeler
4.5 que ces matériaux – mieux
que les autres – sont suscep-
4
tibles d’absorber de l’énergie
3.5
(voir aussi le Chapitre d’après
la conférence de D. Masseglia).
3 Cette propriété résulte de l’im-
1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 2000 portance des interfaces fibres-
(Années) matrice, évoquée au début de
ce chapitre ; c’est en cassant
sautait avec des perches cette interface que le casque
Figure 16 absorbe l’énergie du choc.
en bois (déjà un matériau
Évolution du record du monde composite !) ensuite avec des Incidemment, la situation
de saut à la perche : une nette
perches en bambou, puis en est similaire pour un pare-
amélioration, au fur et à mesure choc de voiture généralement
que la perche évolue ! aluminium – avant de recourir
aux fibres de verre (Tableau 1) fabriqué dans un composite
(voir aussi le Chapitre d’après constitué de polypropylène
la conférence de D. Masseglia). armé de petites particules
d’élastomère en son sein :
après chaque choc, même si
3.4. Optimiser les casques
aucune lésion n’apparaît, les
de protection
nodules génèrent une impor-
Tout récemment des casques tante microfissuration interne
206 de protection en matériaux qui absorbe l’énergie.
chap8.indd Sec1:206 14/12/2010 17:23:18Les matériaux composites dans le sport
L’approche, actuellement, est
de considérer la protection FRONT CENTRE
de l’ensemble tête-casque
et non, comme aupara-
vant, en améliorant la seule
résistance du casque. L’uti-
lisation de matériaux compo-
sites, qui permet de varier
les propriétés de résistance
selon les différentes parties
du casque, devient tout à fait JOUE ARRIERE
essentielle.
La Figure 17 montre que
rant 7 x 7 x 3 m3, il est réalisé Figure 17
quatre zones ont été identi-
en une seule pièce alors qu’il
fiées comme étant à l’origine, Le casque présente les quatre
fallait, auparavant, assem-
en cas de choc, de lésions zones pouvant conduire à des
bler des dizaines de pièces
spécifiques, très différentes lésions très différentes les unes
pour aboutir à la pièce finale. des autres. Sa fabrication sera
les unes des autres. Il est
Le gain en poids par rapport la résultante des études menées
en conséquence impératif
à la structure en acier, est sur la résistance aux chocs des
d’adapter les matériaux
de trois tonnes. C’est ce différentes parties.
utilisés dans la fabrication des
qu’on appelle l’allègement
différentes parties du casque,
des structures, qui permet
dont la structure finale est
une moindre consommation
nécessairement complexe.
de kérosène pour un poids
Les tests de résistance
transporté identique ou un
concerneront en priorité la
nombre plus important de
zone la plus fragile et la plus
passagers ou davantage de
exposée, celle qui se situe un
fret. Des recherches simi-
tout petit peu sur l’arrière du
laires sont développées dans
casque, là où les chocs même
le cas de l’automobile, pour
de faible énergie peuvent
des voitures plus économes,
entraîner les lésions les plus
que ce soit en essence ou,
graves; le matériau constitutif
dans l’avenir, en électricité.
utilisé sera choisi en fonction
des résultats obtenus lors Pour se situer dans l’his-
d’essais standardisés. toire, on peut se reporter à
la Figure 19. Les principaux
fabricants d’avion, Airbus et
3.5. Les matériaux
Boeing envisagent maintenant
composites en aéronautique la construction d’avions dont
Figure 18
L’Airbus A380 innove en utili- le fuselage54 pressurisé sera
complètement fabriqué en Le caisson central de voilure de
sant massivement les maté-
composite, ainsi que les ailes. l’Airbus A380 est entièrement
riaux composites (Figure 18). réalisé en composite
Jusqu’à présent, leur emploi Ces solutions sont encore à
en aéronautique était limité l’étude pour les avions civils,
aux avions militaires, de alors qu’elles sont déjà mises
dimensions beaucoup plus en œuvre pour les avions
faibles. Le caisson central militaires.
de voilure, qui est l’attache
des ailes – donc l’une des 54. Le fuselage désigne l’enve-
pièces majeures de l’avion – loppe qui reçoit généralement
est désormais entièrement la charge transportée, ainsi que
réalisé en composite. Mesu- l’équipage. 207
chap8.indd Sec1:207 14/12/2010 17:23:20La chimie et le sport
Figure 19
Historique des composites en Aéronautique.
Conclusion
L’aéronautique est un bon exemple de la
manière dont les composites, champ immense,
ouvert à toutes les imaginations, vont faire
évoluer notre quotidien. Comme dans le cas
de la Formule 1 (voir le Chapitre de C. Lory),
l’aéronautique est en effet une sorte de banc
d’essai pour des innovations, qui pourront être
largement diffusées.
Pour un industriel, les caractéristiques
techniques des composites et leur comparaison
avec celles des matériaux métalliques
classiques, comme illustré dans le Tableau 2,
peuvent être décisives. Ce tableau illustrera la
208 conclusion de ce chapitre :
chap8.indd Sec1:208 14/12/2010 17:23:21Les matériaux composites dans le sport
Tenue en fatigue
Résistance en traction après 107 Cycles
Résistance Tenue en fatigue d'une plaque percée d'une plaque percée
en traction après 107 Cycles
(MPa) (MPa)
MPa (Section percée) MPa (Section percée)
Composite
carbone
450 400 250 200
isotrope(1)
Alliage
450 170 450 90
Aluminium
La première colonne montre que la résistance Tableau 2
du composite et celle de l’aluminium sont du Les composites en aéronautique.
même ordre de grandeur, 450 MPa. La deuxième Intérêts et inconvénients pour le
constructeur.
caractérise la résistance à la fatigue : on tire (1)
Une plaque composite carbone
toujours sur le matériau, de façon moins intense isotrope possède des fibres tous
les 45°. Sa rigidité et sa résistance
mais répétée 107 fois. Le composite casse à sont donc excellentes dans toutes
400 MPa et l’aluminium s’effondre à 170 MPa. Les les directions (c’est le principe
même de l’isotropie).
deux autres colonnes répètent ces tests avec une
plaque percée d’un trou (ce qui est représentatif
des situations réelles où l’on utilise des rivets
pour l’assemblage). En statique, le composite
perd la moitié de sa résistance mais l’aluminium
la conserve. En fatigue, au contraire, le composite
gagne de très loin par rapport à l’aluminium.
Ceci illustre bien pourquoi l’utilisation de
matériaux composites progressivement
remplace celle de matériaux métalliques.
C’est vrai en particulier dans le sport et dans
l’aéronautique, mais la tendance est également
avérée dans l’industrie en général. Et les progrès
dans les formulations et les performances des
matériaux composites ne sont pas prêts de
s’arrêter avec la perspective, par exemple, de
matériaux auto-cicatrisants, la mise au point
et l’utilisation de matériaux nanostructurés et
toutes les innovations encore en gestation dans
les laboratoires des chimistes. 209
chap8.indd Sec1:209 14/12/2010 17:23:23La chimie et le sport
Crédits
photographiques
Fig. 17 : Doc. R. Willinger. Tableau 2 : doc. EADS
Fig. 21 : Doc. EADS J. Cinquin. J. Cinquin.Vous pouvez aussi lire
