Un matériau composite est un matériau constitué de deux éléments, la matrice (ou liant) et le renfort, qui restent distincts mais solidaires lors du processus de fabrication. Le béton armé est une forme de matériau composite (matrice en béton, renfort de tiges métalliques). Le bois est un composite naturel : fibres de cellulose (le renfort) dans une matrice polymères de lignine et d'hémicellulose. Le renfort peut être constitué de fibres courtes (de longueur inférieure à 1 mm, appelées whiskers), longues (longueur inférieure à 50 mm) ou continues, ou bien être composé de particules.

On distingue trois grands types de matériaux composites industriels :

• Les composites à matrice organique (CMO) sont les plus courants.
• Les composites à matrice céramique (CMC) ont des applications dans l'aérospatial, le militaire et le freinage (en particulier le freinage des avions).
• Les composites à matrice métallique (CMM) ont un usage plus restreint du fait de leur coût.

Composites à matrice organique

La matrice des CMO est une résine polymère thermodurcissable (polyester, polyimide, époxyde...) ou thermoplastique (polypropylène, polyamide...). Le renfort peut être constitué de fibre de verre, de fibre de carbone, de kevlar (aramide) ou de fibre de carbure de silicium.

Les CMO thermodurcissables sont des composites faciles à produire et de coût très abordable. Leurs propriétés mécaniques sont médiocres. Les CMO thermoplastiques sont plus coûteux mais certains ont des propriétés mécaniques tout à fait comparables, dans certains domaines, à celles des métaux. C'est le cas des composites à base de PEEK (polyétheréthercétone), de PEI (polyétherimide) ou de PPA (polyphtalamide), un polyamide de haute performances.

Composites à matrice céramique

Les composites à matrice céramique sont légers. Ils ont une très bonne tenue en température, une bonne dureté. Le renfort fibreux permet de pallier au principal défaut des céramiques : leur fragilité.

Composite à matrice non-oxyde

Les premiers CMC à matrice non-oxyde , qui ont été produits sont des composites à matrice carbone et renfort fibre de carbone (C_f/C, pour carbone fibre / matrice carbone). On a depuis développé d’autres types de CMC autour du carbone ou du carbure de silicium : C_f/SiSiC (fibre de carbone / matrice en carbure de silicium SiC avec un excès de silicium), SiC_f/C (fibre SiC / matrice carbone). Les composites à matrice céramique non oxyde sont sensibles à la corrosion lorsqu’elles sont soumises à de fortes températures (> 500°C pour le carbone) et on a été amené à développer des céramiques mixtes pour pallier à cet inconvénient, en ajoutant par exemple du bore.

D’autres CMC non oxyde plus « techniques » ont vu le jour au cours des dernières années, basés sur le carbure de titane TiC, le carbure de zirconium ZrC ou le nitrure de silicium Si₃N₄. Des CMC très haute température (UHTCMC, pour ultra high temperature CMC) à base de borure de zirconium ZrB₂ ou de borure de hafnium HfB₂ sont aujourd’hui produits industriellement.

Les CMC sont utilisés comme pièces structurelles dans l’aérospatial.

Composite à matrice oxyde

Les CMC oxyde/oxyde sont beaucoup plus répandus que les CMC non oxyde. Ils sont basés sur une matrice et des fibres céramiques oxydées : Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂… Ils présentent une moins bonne résistance mécanique et ne peuvent pas être utilisés comme pièces structurelles.

Procédés de fabrication

Les procédés de fabrication des CMC sont assez variés. La première phase consiste à réaliser le renfort. La matrice est ensuite formée :

• par dépôt en phase vapeur à partir de précurseurs gazeux,
• par pyrolyse de composés contenant les composants de la poudre de céramique,
• par réaction chimique,
• par frittage...

Le frittage est utilisé exclusivement pour les CMC oxyde.

Composites à matrice métallique

Ces matériaux sont composés d’une matrice métallique (principalement titane, magnésium ou aluminium du fait de leur légèreté) et d’un renfort métallique (fil d’acier) ou céramique (particules de carbure de silicium, de carbone, d’alumine, de bore ou de borure). L’utilisation de fibres longues est cependant limitée du fait de la complexité de mise en œuvre (insertion dans un métal liquide).

Un composite à matrice métallique et à renfort céramique est appelé cermet.