Étant donné que les composites de haute performance font partie des matériaux composites dans leur ensemble et que la notion de haute performance est relativement large, il est préférable d'aborder les matériaux composites dans leur ensemble pour décrire l'état du développement national et international. Les composites peuvent être divisés en composites à matrice de résine, composites à matrice métallique, composites à matrice céramique, composites à matrice de ciment, etc., selon le type de matrice.
(A) Vue d'ensemble du développement des composites à matrice de résine au niveau national et international
Les composites à matrice de résine ont été les premiers à être développés et à être promus industriellement, ils ont donc les applications les plus larges et le plus haut degré d'industrialisation. Selon le comportement thermique de la matrice, ils peuvent être divisés en composites thermoplastiques et composites thermodurcissables.
1. Composites à matrice de résine thermodurcissable
Les composites à matrice de résine thermodurcissable sont des composites constitués d'une résine thermodurcissable telle que la résine polyester insaturée, la résine époxy, la résine phénolique, la résine vinylester, etc., renforcés par de la fibre de verre, de la fibre de carbone, de la fibre d'aramide, de la fibre de polyéthylène à très haut poids moléculaire, etc.
Les composites à matrice de résine sont en développement depuis près de 70 ans depuis leur création aux États-Unis en 1932. De 1940 à 1945, les États-Unis ont utilisé pour la première fois la résine polyester renforcée par fibre de verre (GRP) stratifiée à la main pour fabriquer des radomes militaires et des réservoirs de carburant d'avion, ce qui a ouvert la voie à l'application des composites à matrice de résine dans l'industrie militaire.
En 1944, l'armée de l'air américaine a utilisé pour la première fois une structure stratifiée de composite à matrice de résine pour fabriquer les ailes et le fuselage d'un avion ; en 1946, le moulage par enroulement de fibre a été breveté aux États-Unis ; en 1950, le procédé de moulage sous vide et sous pression a été développé avec succès et le propulseur d'un hélicoptère a été fabriqué à titre d'essai avec succès ; en 1949, le mélange préalable de fibre de verre a été développé avec succès, et les pièces composites à matrice de résine avec une surface lisse ont été pressées en utilisant la technique de moulage par apposition traditionnelle ;
En 1960, les États-Unis ont utilisé la technologie d'enroulement de fibre pour développer avec succès le carter du moteur du missile Polaris A. Pour améliorer la productivité du procédé de moulage par apposition à la main, le procédé d'injection a été développé et appliqué durant cette période, ce qui a augmenté l'efficacité de production de 2 à 4 fois.
En 1961, l'Allemagne a réussi à développer le composé moulé en feuille (SMC), permettant au procédé de moulage d'atteindre un nouveau niveau (moyenne pression, moyenne température, produits à grande surface de table).
En 1963, la production industrielle des matériaux composites à matrice de résine a commencé. Les États-Unis, la France et le Japon ont construit des lignes de production continues à haut rendement et de grande largeur, et ont réussi à développer des matériaux composites transparents et leurs feuilles structurées en stratification.
En 1965, les États-Unis et le Japon ont utilisé le SMC pour presser des pièces d'automobile, des baignoires, des composants de navire, etc. ; le procédé de moulage par pultrusion a commencé dans les années 1950, il a atteint une production continue au milieu des années 1960. Outre les barres, il permettait également la production de tubes minces, de pièces carrées, de poutres en I, de profilés en U, etc. Jusqu'aux années 1970, il y a eu un grand bond en avant dans la technologie de pultrusion, et l'unité d'équipement de pultrusion la plus avancée actuellement est produite aux États-Unis, avec une section de produit de 76×20 cm² et conçue avec un mécanisme d'enroulement annulaire. Dans les années 1970, le moulage par injection de réaction de résine (RRIM) a été réussi à développer, améliorant le procédé de stratification à la main et permettant d'obtenir un produit lisse des deux côtés. Il a été utilisé dans la production de articles de toilette et de pièces d'automobile. Les composites thermoplastiques ont été développés au début des années 1970, et le procédé de production était principalement l'injection et l'extrusion, et ils étaient seulement utilisés pour produire des plastiques renforcés par des fibres courtes.
En 1972, PPG a réussi à développer le composé moulé en feuille thermoplastique renforcé par un mat de fibre de verre (GMT) et l'a mis en production en 1975. Sa caractéristique la plus importante est que le cycle de moulage est court et que les déchets peuvent être recyclés. La France a réussi à développer la production humide du composé moulé en feuille thermoplastique (GMT) dans les années 1980 et l'a très bien utilisé dans l'industrie automobile. Le procédé de moulage par coulée centrifuge a commencé en Suisse dans les années 1960, il a été développé dans les années 1980. Le Royaume-Uni a produit des poteaux de fil électrique composites de 10 mètres de long avec cette technologie, tandis que des tuyaux de grande diamètre sous pression ont été produits par la méthode centrifuge pour les projets d'alimentation en eau urbaine, avec des effets techniques et économiques remarquables. Jusqu'à présent, il existe près de 20 types de procédés de production des composites à matrice de résine, et de nouveaux procédés de production continuent d'apparaître.
En ce qui concerne le développement et l'application des composites à matrice de résine, les voies de développement de chaque pays sont différentes. Les États-Unis ont d'abord appliqué ces composites dans l'industrie militaire et ont progressivement orienté leur utilisation vers des applications civiles après la Seconde Guerre mondiale. Dans les pays d'Europe occidentale, le développement des applications civiles (telles que les plaques ondulées, les matériaux anti-corrosion, les articles de toilette, etc.) a commencé directement et a également concerné l'industrie militaire. Sur le plan mondial, un système industriel plus complet s'est formé en ce qui concerne les matières premières, les procédés de moulage, l'équipement mécanique, les types de produits et les tests de performance, etc. Comparativement à d'autres industries, la vitesse de développement est très rapide.
La matrice de résine des matériaux composites d'aujourd'hui est toujours principalement constituée de résine thermodurcissable. Selon les statistiques de l'an 2000, il existe plus de 40 000 types de produits composites à matrice de résine dans le monde, et la production totale atteint 6 millions de tonnes, parmi lesquelles la production des matériaux composites à matrice de résine de haute performance est supérieure à 3 millions de tonnes, et la production des matériaux composites thermoplastiques de haute performance est supérieure à 1,2 million de tonnes.
Les composites à matrice de résine ont une large gamme d'applications. Le tableau 1 montre la proportion de matériaux composites à matrice de résine utilisés dans les industries de l'automobile, de la construction et de la construction navale dans plusieurs grands pays tels que les États-Unis, l'Europe occidentale et le Japon.
Les matériaux composites à matrice de résine en Chine ont commencé en 1958. À cette époque, des bateaux de pêche composites à matrice de résine ont été développés par le procédé de stratification à la main, et des plaques, des tubes et des tubes de fusée composites à matrice de résine ont été développés avec succès par des procédés de stratification et de laminage, etc. En 1961, les embouts résistants à l'ablation ont été développés. En 1962, la résine polyester insaturée ainsi que des machines à moulage en nid d'abeilles et des machines à injection ont été introduites pour développer des hélices d'avion et des pales de ventilateur.
En 1962, la recherche sur le procédé d'enroulement a abouti et une série de bouteilles d'oxygène et d'autres récipients sous pression ont été produits. En 1970, un grand radôme en matériau composite à matrice de résine avec un diamètre de 44 mètres a été fabriqué à partir de plaques structurelles stratifiées à la main. Avant 1971, l'industrie des composites à matrice de résine en Chine était principalement axée sur les produits militaires, et après les années 1970, elle a commencé à se tourner vers des applications civiles. En 1987, un grand nombre de technologies étrangères avancées telles que les lignes de production de filage au four à cuve, de feutre coupé court, de feutre de surface ainsi que des lignes de production de résines polyester de divers grades (États-Unis, Allemagne, Pays-Bas, Royaume-Uni, Italie, Japon) et de résines époxy (Japon, Allemagne) ont été introduites en Chine. En termes de technologie de moulage, nous avons introduit des lignes de production de tuyaux et de réservoirs par enroulement, des lignes de production par procédé de pultrusion, des lignes de production de SMC, des unités de production de plaques continues, des machines de moulage par transfert de résine (RTM), la technologie d'injection, la technologie de moulage par injection de résine et des lignes de production de cannes à pêche, etc. Nous avons ainsi formé un système industriel complet allant de la recherche, de la conception, de la production jusqu'au jumelage des matières premières. Dès la fin de l'an 2000, le nombre d'entreprises de production de matériaux composites à matrice de résine en Chine a atteint plus de 3 000. Le nombre d'entreprises certifiées par le système de qualité ISO 9000 était de 51, avec plus de 3 000 types de produits, et la production totale était de 730 000 tonnes par an, classant la Chine deuxième au monde. Les produits sont principalement utilisés dans les domaines industriels tels que la construction, la protection contre la corrosion, l'industrie légère, les transports, la construction navale, etc. Ces dernières années, les structures de bâtiments renforcées par des feuilles de fibre de carbone, les portes et fenêtres composites pultrusées, les boîtes de compteur moulées en SMC ou BMC, les produits RTM, etc. ont connu un développement rapide.
Dans l'industrie de la construction, les composites à matrice de résine sont largement utilisés pour les panneaux de murs intérieurs et extérieurs, les tuiles transparentes, les tours de refroidissement, les carters de climatisation, les ventilateurs, les réservoirs d'eau en matériau composite renforcé de fibres (FRP), les articles de toilette, les réservoirs de purification, etc.
Dans l'industrie pétrochimique, ils sont principalement utilisés pour les pipelines et les réservoirs de stockage. Parmi eux, les tuyaux en FRP sont des tuyaux de longueur fixe, des tuyaux coulés centrifuge et des tuyaux continus. Selon le niveau de pression, ils sont divisés en tuyaux à basse et moyenne pression et en tuyaux à haute pression. Au cours des « Cinq ans plans » quatrièmes et cinquièmes de la Chine, 40 lignes de production de tuyaux et de réservoirs ont été introduites, et le diamètre maximal des grands réservoirs enroulés sur site est de 12 mètres, avec un volume maximal de 10 000 mètres cubes pour les réservoirs de stockage. Le développement et la production domestiques d'équipement de production de tuyaux et de réservoirs en matériau composite renforcé de fibres ont permis à certains indicateurs techniques de dépasser le niveau technique des équipements similaires étrangers.
Dans le domaine des transports, afin de réduire le poids des moyens de transport, d'économiser la consommation de carburant, d'améliorer la durée de vie et le coefficient de sécurité, un grand nombre de matériaux composites sont actuellement utilisés dans les transports. Dans les voitures, il s'agit principalement des carrosseries, des capots, des pare-chocs et d'autres accessoires ; dans les trains, il s'agit des panneaux de wagons, des portes et fenêtres, des sièges, etc. ; dans les bateaux, il s'agit principalement des aéroglisseurs, des bateaux de sauvetage, des bateaux de reconnaissance, des bateaux de pêche, etc. À l'heure actuelle, le plus long bateau de pêche en FRP fabriqué en Chine mesure 33 mètres. Dans le domaine des machines et de l'électroménager, des produits tels que les ventilateurs de plafond, les ventilateurs axiaux, les plateaux de câbles, les bâtons isolants, les cartes de circuits intégrés ont atteint une échelle considérable.
Dans les domaines de l'aéronautique et de la défense, des avancées significatives ont été réalisées pour des éléments tels que les petits avions, les gouvernes de queue, les antennes satellites, les tuyères de fusée, les plaques pare-balles, les gilets pare-balles, les torpilles, etc., et ont apporté une contribution importante à la défense nationale de la Chine.
La résine époxy se caractérise par une excellente stabilité chimique, une excellente isolation électrique et une forte résistance à la corrosion. Elle est largement utilisée dans divers domaines tels que l'industrie chimique, l'industrie légère, la mécanique, l'électronique, l'aménagement hydroélectrique, les transports, l'automobile, l'électroménager et l'aéronautique, etc., en raison de ses bonnes propriétés adhésives et de sa forte résistance mécanique.
La capacité de production mondiale de résine époxy était de 1,3 million de tonnes en 1993, elle est passée à 1,43 million de tonnes en 1996, à 1,48 million de tonnes en 1997, à 1,5 million de tonnes en 1999 et devrait atteindre 1,6 million de tonnes en 2003.
La Chine a commencé à étudier la résine époxy en 1975. Selon des statistiques incomplètes, il existe plus de 170 fabricants de résine époxy en Chine, avec une capacité de production totale de plus de 150 000 tonnes et un taux d'utilisation des équipements d'environ 50 %.
La résine phénolique a les caractéristiques de résistance à la chaleur, de résistance à l'usure, de haute résistance mécanique, d'excellente isolation électrique, de faible production de fumée et d'excellente résistance à l'acide, etc., c'est pourquoi elle est largement utilisée dans divers domaines de l'industrie des matériaux composites. Ces dernières années, elle a été utilisée dans certains domaines de haute technologie tels que l'industrie électronique, l'industrie automobile et l'industrie aéronautique.
En 1997, la production mondiale de résine phénolique était de 3 millions de tonnes, dont 1,64 million de tonnes aux États - Unis. La production en Chine était de 180 000 tonnes et 40 000 tonnes ont été importées. Les applications de la résine phénolique comprennent les plaquettes de frein automobiles, le matériau d'encapsulation des condensateurs phénoliques, les matériaux de filtration profonde, l'aéronautique et d'autres industries.
(3) Résine vinylester
La résine vinylester est un nouveau type de résine thermodurcissable développée dans les années 1960. Elle se caractérise par une bonne résistance à la corrosion, une bonne résistance aux solvants, une haute résistance mécanique, une grande élongation, de bonnes performances d'adhésion avec le métal, le plastique, le béton et d'autres matériaux, une bonne résistance à la fatigue, de bonnes propriétés électriques, une résistance à la vieillissement thermique, une faible retraction de durcissement. Elle peut être durcie à température ambiante ou chauffée.
Nanjing Jinling DSM Resin Co., Ltd. a introduit une technologie avancée des Pays - Bas pour produire la série Atlac de résine vinylester fortement résistante à la corrosion, qui a été largement utilisée dans les réservoirs de stockage, les conteneurs, les tuyaux, etc. Certains variétés peuvent également être utilisées pour l'étanchéité et le moulage à chaud - presse. D'autres fabricants tels que Ltd., Shanghai Xinhua Resin Factory, Nantong Mingjia Polymer Co., Ltd. produisent également de la résine vinylester.
2. Composites à matrice de résine thermoplastique
Les composites à matrice de résine thermoplastique ont été développés dans les années 1980. La proportion de ces composites dans le nombre total des composites augmente d'année en année car ils peuvent être recyclés. Les principales variétés sont les granulés renforcés par des fibres longues (LFP), la bande de préimprégné renforcée par des fibres continues (MITT) et la feuille de thermoplastique renforcée par des fibres (GMT). Selon les différentes exigences d'utilisation, la matrice de résine comprend principalement des plastiques techniques thermoplastiques tels que le polypropylène (PP), le polyéthylène (PE), le polyamide (PA), le polybutylène téréphtalate (PBT), l'oligoétherimide (PEI), le polycarbonate (PC), l'oligoétherimide (PEI), le polyéthersulfone (PES), le polyétheréthercétone (PEEK), le polyimide (PI), le polyamide-imide (PAI), etc., et les types de fibres incluent toutes les variétés de fibres possibles telles que la fibre de verre, la fibre de carbone, la fibre d'aramide et la fibre de bore.
Les composites à matrice de résine thermoplastique représentent plus de 30 % des composites à matrice de résine au total dans les pays développés d'Europe et des États-Unis. En 2000, la production des composites à matrice de résine thermodurcissable en Europe occidentale était de 1,06 million de tonnes, et celle des composites thermoplastiques était de 540 000 tonnes, représentant 34 % des composites à matrice de résine au total.
Les composites à matrice de résine thermoplastique de haute performance sont le plus souvent des pièces moulées par injection, et la matrice est principalement en polypropylène (PP) et en polyamide (PA). Les produits comprennent des raccords de tuyaux (coudes, tees, brides), des vannes, des roues d'hélice, des roulements, des pièces électriques et automobiles, des tuyaux extrudés, des produits moulés en GMT (matériau moulé en feuille thermoplastique) tels que les supports de siège de jeep, les pédales d'accélérateur de voiture, les sièges, etc. Les applications du polypropylène renforcé par de la fibre de verre dans les automobiles comprennent les systèmes de ventilation et de chauffage, les carters des filtres à air, les carters de transmission, les cadres de siège, les joints de pare-chocs, les protecteurs de courroie d'entraînement, etc.
Le polypropylène (PP) renforcé par du talc présente une rigidité élevée, une résistance élevée, une excellente résistance à la chaleur, au vieillissement et au froid. Le PP renforcé par du talc a des applications importantes dans la décoration intérieure des véhicules, par exemple il est utilisé pour fabriquer des pièces de systèmes de ventilation. Le tableau de bord et la barre de commande de frein automatique, etc. Les pièces automobiles sont le plus souvent en PP ordinaire ou en PP composite avec des matériaux de charge inorganiques tels que la poudre de talc. La société américaine HPM a fabriqué avec un PP renforcé à 20 % de talc une structure en nid d'abeilles de 168 m², un tube pour la corde du système de levage de la vitre roulante d'un véhicule.
Le matériau composite à base de mica présente une rigidité élevée, une température de fléchissement à chaud élevée, une faible retraction, un faible moment fléchissant, une stabilité dimensionnelle, une faible densité et un faible prix par rapport au métal, etc. En utilisant le matériau composite mica/PP, on peut fabriquer le tableau de bord d'automobile, l'anneau de protection des phares, le capot de pare-choc, la protection des portes, le carter de moteur, le ventilateur de moteur, les volets et d'autres pièces. En utilisant la propriété d'amortissement du matériau, on peut fabriquer des pièces audio. En utilisant sa propriété de blindage, on peut fabriquer la boîte de batterie, etc.
À l'heure actuelle, la Toyota Motor Corporation et la Mitsubishi Chemical Corporation ont conjointement développé des matériaux nanocomposites PP/EPR/talc pour les pare-chocs avant et arrière, qui ont été commercialisés en 1991, réduisant ainsi l'épaisseur des pare-chocs des véhicules Toyota de 4 mm à 3 mm et leur masse d'environ un tiers. En 1994, Toyota a développé des nanocomposites tels que le TSOP-2 et le TSOP-3 pour la décoration intérieure des automobiles.
Pour les composites thermoplastiques tels que le PA, le PP et d'autres matrices générales, ils n'ont pas été très utilisés en raison de leur faible résistance à la chaleur. Ces dernières années, la modification des résines thermoplastiques existantes d'une part et le développement de résines thermoplastiques de haute performance telles que le PPO, le PEEK, le PEI, le PPS, le PSF, etc. d'autre part ont entraîné une augmentation de l'application des composites thermoplastiques.
Les composites à matrice de résine thermoplastique en Chine ont commencé à la fin des années 1980 et ont connu un développement rapide au cours de la dernière décennie (voir le tableau 3). La production a atteint 120 000 tonnes en 2000, représentant environ 17 % de la production totale des composites à matrice de résine, ce qui est encore loin des pays développés. Les matières de matrice utilisées sont encore principalement le polypropylène (PP) et le polyamide (PA), et les matériaux de renforcement sont principalement la fibre de verre, avec une petite quantité de fibre de carbone. On n'a pas réussi à réaliser un grand bond en avant dans les composites thermoplastiques. La nanotechnologie en Chine offre de bonnes opportunités pour la modification et l'application des polymères, par exemple le PA modifié au niveau nanométrique, mais il existe toujours un système composite unique, le degré d'industrialisation est faible, la plupart d'entre eux ne sont encore qu'au stade de la recherche en laboratoire et n'ont pas été complètement mis en pratique. Les nanocomposites polymères ont des caractéristiques et un potentiel, et dans un avenir lointain, ils devront compter sur la nanotechnologie pour créer des précédents et s'améliorer.
Les matériaux de renforcement utilisés dans les composites à matrice de résine sont principalement la fibre de verre, la fibre de carbone, la fibre d'aramide, la fibre de polyéthylène à très haut poids moléculaire, etc.
(1) Fibre de verre
Actuellement, dans les matériaux composites de haute performance, les fibres de verre utilisées sont principalement les fibres de verre de haute résistance, les fibres de verre quartzeuses et les fibres de verre à haute teneur en silice et en oxygène.
À la fin des années 1950, les États-Unis ont été les premiers à mener des recherches et à développer la fibre de verre de haute résistance (S-994). Jusqu'à présent, seulement six pays dans le monde, soit les États-Unis, la France, le Japon, la Russie, le Canada et la Chine, sont capables de produire la fibre de verre de haute résistance. Étant donné que les performances et le prix de la fibre de verre de haute résistance sont relativement avantageux, son taux de croissance annuel est supérieur à 10 %. En 1991, la production totale des pays occidentaux a atteint 480 tonnes. On estime aujourd'hui qu'elle est supérieure à 5 000 tonnes. Les composites à base de fibre de verre de haute résistance ne sont pas seulement utilisés dans des applications militaires. Ces dernières années, ils sont également largement utilisés dans des produits civils, tels que les casques pare-balles, les vêtements pare-balles, les ailes d'hélicoptères, les radomes d'avions de surveillance aérienne, divers récipients sous pression haute pression, les plaques droites d'avions civils, les articles de sport, divers produits résistants à haute température et, plus récemment, les cordages de pneus présentant d'excellentes performances, etc.
La fibre de verre quartzeuse et la fibre de verre à haute teneur en silice et en oxygène appartiennent aux fibres de verre résistantes à haute température. Elles sont des matériaux plus idéaux pour la résistance à la chaleur et au feu. En utilisant ces fibres pour renforcer la résine phénolique, on peut fabriquer diverses pièces composites résistantes à la chaleur et à l'ablation, qui sont largement utilisées dans les fusées, les missiles et d'autres matériaux résistants à la chaleur.
Jusqu'à présent, la Chine a mis en pratique des matériaux composites à matrice de résine de haute performance renforcés par trois types de fibres, à savoir la fibre de carbone, la fibre d'aramide et la fibre de verre de haute résistance. Seule la fibre de verre de haute résistance a atteint le niveau internationalement avancé et possède des droits de propriété intellectuelle indépendants. Un secteur industriel à petite échelle s'est formé et la production annuelle à l'actuel stade peut atteindre jusqu'à 500 tonnes.
(2) Fibre de carbone
La fibre de carbone présente une résistance élevée, un module élevé, une résistance à la chaleur, une conductivité électrique et une série de propriétés. Elle a d'abord été largement utilisée dans le domaine aéronautique et spatiale, et ces dernières années, elle est également très répandue dans les équipements et les articles de sport. On prévoit que les matériaux composites à base de fibre de carbone vont se développer ces dernières années et ouvrir de nouvelles applications. Les domaines de la génie civil, des transports, de l'automobile, de l'énergie et d'autres secteurs feront un usage à grande échelle de la fibre de carbone industrielle. De 1997 à 2000, le taux de croissance annuel de la fibre de carbone destinée à l'aéronautique et spatiale est estimé à 31 %, tandis que le taux de croissance annuel de la fibre de carbone industrielle devrait atteindre 130 %.
Le niveau global de la fibre de carbone en Chine est encore relativement faible, équivalent au niveau des pays étrangers à la fin des années soixante-dix et au début des années quatre-vingts. L'écart avec les pays étrangers est d'environ 20 ans. Les principaux problèmes de la fibre de carbone domestique sont la performance moins stable, le coefficient de dispersion élevé, l'absence de fibre de carbone de haute performance, le manque de diversité des variétés, l'incomplétude des spécifications, la longueur continue insuffisante, l'absence de traitement de surface et les prix élevés, etc.
(3) Fibre d'aramide
En 1972, la société américaine DuPont a réussi à développer un polyamide aromatique tout para nommé Kevlar. Les produits ont été officiellement utilisés dans les matériaux de haute performance en 1972. La production était de seulement 45 tonnes en 1972, elle est passée à 4 200 tonnes en 1977 et est montée à 21 000 tonnes en 1982, avec un taux de croissance annuel de 20 %. Depuis les années 1980 du XXe siècle, les Pays - Bas, le Japon et l'ex - Union soviétique ont également mené des travaux de recherche et de développement sur la fibre d'aramide. La série de fibres "Twaron" d'Enka, filiale d'AKZO aux Pays - Bas, avait une capacité de production annuelle de 1 000 à 2 000 tonnes en 1986 et on prévoyait qu'elle atteindrait 15 000 tonnes en 2000. Les fibres d'aramide de Teijin (Japon) et de Russie ont été commercialisées et leur taux de croissance annuel a atteint environ 20 %.
La fibre d'aramide présente une résistance spécifique et un module élevés, c'est pourquoi elle est largement utilisée dans les pièces composites de haute performance dans le domaine aéronautique et spatiale (telles que le carter du moteur de fusée, la nacelle du moteur d'avion, le carénage, le gouvernail, etc.), dans la construction navale (telles que les porte-avions, les sous-marins nucléaires, les yachts, les bateaux de sauvetage, etc.), dans l'automobile (telles que le cordage des pneus, le tuyau à haute pression, les matériaux de friction, les cylindres à gaz à haute pression, etc.) ainsi que dans les courroies de transport résistantes à la chaleur, les équipements sportifs, etc.
(4) Fibre de polyéthylène à très haut poids moléculaire
À l'heure actuelle, les principaux produits sur le marché sont les Spectra 900 et 1000 d'Ailled, le Dyneema SK60 produit en commun par DSM (Pays - Bas) et Toyoba (Japon) ainsi que le Tekmilon I de la société Mitsui (Japon), etc. La résistance spécifique de la fibre de polyéthylène à très haut poids moléculaire est la plus élevée parmi toutes les sortes de fibres. Elle est particulièrement résistante à l'érosion par les réactifs chimiques et au vieillissement. Elle possède également une excellente perméabilité au sonar haute fréquence et une résistance à la corrosion par l'eau de mer. De nombreux pays l'utilisent pour fabriquer des blindages déflecteurs de sonar haute fréquence pour les navires, ce qui améliore considérablement les capacités de détection et de dragage des mines des navires. Dans les applications des composites légers de haute performance dans le domaine du pétrole offshore,
Outre le rôle clé qu'elle joue dans les applications militaires, elle présente également de larges perspectives d'application dans la fabrication automobile, la construction navale, les équipements médicaux, les équipements sportifs et d'autres domaines. Cette fibre a suscité un grand intérêt et une attention considérable des pays développés dans le monde depuis son introduction. Le taux de croissance des États - Unis en 1989 était de 26 %, bien plus élevé que celui des autres fibres de haute performance. La fibre d'aramide et la fibre de polyéthylène à haut poids moléculaire n'ont pas encore été commercialisées en Chine jusqu'à présent. Bien que la Chine ait commencé à étudier la fibre d'aramide en 1972, respectivement en février 1981 et à la fin de 1985, le « fibre d'aramide I » et le « fibre d'aramide II » ont été identifiés sur le plan technique. Des blocs de matériau de haute pureté ont été testés à la Nantong Synthetic Resin Factory et ont été transformés en fibres par l'Institut de recherche sur les fibres synthétiques de Shanghai. En raison de problèmes de régularité du diamètre des monofilaments et de difficultés dans l'assemblage, à la fin des années 1990, la production n'était que de quelques tonnes et l'écart avec les pays étrangers était très important.
La technologie des composites à matrice de résine de haute performance au XXIe siècle est un matériau intelligent qui confère aux matériaux composites des fonctions d'autoguérison, d'autodécomposition, d'autodiagnostic et d'autofabrication. Elle vise à développer des matériaux composites présentant une rigidité et une résistance élevées. Elle se concentre sur les composites utilisés dans des environnements à forte humidité et à haute température, et construit des systèmes de matériaux qui intègrent les matériaux eux-mêmes, le moulage et le traitement, la conception et l'inspection. Le système organisationnel prendra la forme d'alliances (comme l'Alliance automobile américaine) et de groupements. Cela permettra de tirer un meilleur parti des ressources (ressources techniques, ressources matérielles) de toutes les parties et de lier étroitement les avantages de toutes les parties afin de favoriser le développement ultérieur de l'industrie des matériaux composites.
(II) Composites à matrice métallique
Les composites à matrice métallique sont principalement apparus en réponse aux exigences de résistance élevée et de faible densité dans l'industrie aéronautique et spatiale. C'est pourquoi les composites à matrice métallique qui sont largement étudiés et appliqués sont ceux ayant des métaux légers tels que l'aluminium (Al) et le magnésium (Mg) comme matrice. Dans les années 1960, ont émergé les composites à matrice métallique renforcés de manière continue par des fibres de carbone et de bore. En raison du prix élevé des composites renforcés par des fibres continues et de la complexité du procédé de fabrication, les recherches sur ce matériau ont diminué dans les années 1970. La demande croissante en matériaux résistants à la chaleur pour les composants à haute température dans les moteurs à turbine a entraîné un renouveau des recherches sur les composites à matrice métallique, en particulier sur les matériaux à matrice de titane.
Les composites renforcés de manière discontinue ont connu un développement rapide dans les années 1980. Les recherches ont porté sur les composites à base d'aluminium renforcés par des particules de carbure de silicium ou d'alumine et par des fibres courtes. Ces matériaux, quelle que soit la proportion entre la matrice et le renforcement par rapport à la charge, se situent entre les deux extrêmes que sont la dispersion et le renforcement par fibres continues. Ils présentent d'excellentes propriétés transversales, une faible consommation et une excellente aptitude à être transformés. Comparativement aux alliages non renforcés, leurs performances ont également été considérablement améliorées. Tous ces facteurs ont fait de ces matériaux ceux qui présentent le plus d'attrait commercial dans de nombreuses applications.
Les applications des composites à matrice métallique dans le domaine aéronautique et spatial comprennent principalement le remplacement du béryllium, qui est léger mais toxique. Par exemple, les composites SiCp/Al ont été utilisés pour remplacer le béryllium dans les missiles Trident américains, et les composites à matrice d'aluminium renforcés par des particules de carbure de silicium sont également utilisés pour remplacer le carbone/époxy dans l'électronique d'avion. Dans les applications non aéronautiques et spatiales, les composites à matrice métallique renforcés par des fibres courtes suscitent un intérêt général dans le domaine de l'automobile. On peut citer comme exemple les pistons des moteurs à combustion interne partiellement renforcés, qui sont recouverts par des composites à matrice d'aluminium renforcés par des fibres courtes d'alumine ou par des fibres courtes d'alumine et de silice mélangées. Les pistons des moteurs à combustion interne classiques sont fabriqués à partir d'alliages de moulage Al-Si, et certains utilisent des bagues en fonte à haute teneur en nickel incrustées dans la première rainure du piston.
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