Vues : 0 Auteur : Éditeur du site Heure de publication : 2025-05-16 Origine : Site
Le plastique renforcé de fibres ( FRP ) (également polymère renforcé de fibres ) est un matériau composite constitué d'une matrice polymère renforcée de fibres. Les fibres sont généralement du verre, du carbone, de l'aramide ou du basalte. Rarement, d'autres fibres telles que le papier, le bois ou l'amiante ont été utilisées. Le polymère est généralement un plastique thermodurcissable époxy, vinylester ou polyester ; les résines phénol-formaldéhyde sont toujours utilisées.
Les FRP sont couramment utilisés dans les secteurs de l'aérospatiale, de l'automobile, de la marine et de la construction. On les trouve également couramment dans les armures balistiques.
Un polymère est généralement fabriqué par polymérisation par croissance échelonnée ou polymérisation par addition. Lorsqu'ils sont combinés avec divers agents pour améliorer ou modifier de quelque manière que ce soit les propriétés matérielles des polymères, le résultat est appelé plastique. Les plastiques composites font référence aux types de plastiques résultant de la liaison de deux ou plusieurs matériaux homogènes avec des propriétés matérielles différentes pour obtenir un produit final avec certaines propriétés matérielles et mécaniques souhaitées. Les plastiques renforcés de fibres sont une catégorie de plastiques composites qui utilisent spécifiquement des matériaux fibreux pour améliorer mécaniquement la résistance et l'élasticité des plastiques. Le matériau plastique original sans renfort fibreux est appelé matrice ou liant. La matrice est un plastique résistant mais relativement fragile, renforcé par des filaments ou des fibres de renfort plus solides et plus rigides. Le degré d'amélioration de la résistance et de l'élasticité d'un plastique renforcé de fibres dépend des propriétés mécaniques de la fibre et de la matrice, de leur volume l'un par rapport à l'autre, ainsi que de la longueur et de l'orientation des fibres dans la matrice. [1] Le renforcement de la matrice se produit par définition lorsque le matériau FRP présente une résistance ou une élasticité accrue par rapport à la résistance et à l'élasticité de la matrice seule. [2]
La bakélite a été le premier plastique renforcé de fibres. Le Dr Leo Baekeland avait initialement entrepris de trouver un substitut à la gomme-laque (fabriquée à partir de l'excrétion des coléoptères du lac). Les chimistes avaient commencé à reconnaître que de nombreuses résines et fibres naturelles étaient des polymères, et Baekeland étudia les réactions du phénol et du formaldéhyde. Il a d'abord produit une gomme-laque soluble au phénol-formaldéhyde appelée « Novolak » qui n'a jamais connu un succès commercial, puis s'est tourné vers le développement d'un liant pour l'amiante qui, à cette époque, était moulé avec du caoutchouc. En contrôlant la pression et la température appliquées au phénol et au formaldéhyde, il découvrit en 1905 qu'il pouvait produire le matériau dur et malléable dont il rêvait (le premier plastique synthétique au monde) : la bakélite. [3] [4] Il a annoncé son invention lors d'une réunion de l'American Chemical Society le 5 février 1909. [5]
Le développement de plastiques renforcés de fibres à usage commercial faisait l’objet de recherches approfondies dans les années 1930. Au Royaume-Uni, des recherches considérables ont été entreprises par des pionniers tels que Norman de Bruyne. Cela intéressait particulièrement l’industrie aéronautique. [6]
La production massive de fils de verre a été découverte en 1932 lorsque Games Slayter, un chercheur d'Owens-Illinois, a accidentellement dirigé un jet d'air comprimé sur un flux de verre fondu et a produit des fibres. Un brevet pour cette méthode de production de laine de verre a été déposé pour la première fois en 1933. [7] Owens a rejoint la société Corning en 1935 et la méthode a été adaptée par Owens Corning pour produire sa « fibre de verre » brevetée (un « s ») en 1936. À l'origine, la fibre de verre était une laine de verre dont les fibres emprisonnaient une grande quantité de gaz, ce qui la rendait utile comme isolant, en particulier à haute température.
Une résine appropriée pour combiner la « fibre de verre » avec un plastique pour produire un matériau composite, a été développée en 1936 par du Pont. Le premier ancêtre des résines polyester modernes est la résine Cyanamid de 1942. Des systèmes de durcissement au peroxyde étaient alors utilisés. [8] Avec la combinaison de la fibre de verre et de la résine, la teneur en gaz du matériau a été remplacée par du plastique. Cela a réduit les propriétés d'isolation aux valeurs typiques du plastique, mais pour la première fois, le composite a montré une grande résistance et des promesses en tant que matériau de structure et de construction. De manière confuse, de nombreux composites de fibre de verre ont continué à être appelés « fibre de verre » (comme nom générique) et le nom a également été utilisé pour le produit en laine de verre à faible densité contenant du gaz au lieu du plastique.
On attribue à Ray Greene d'Owens Corning la production du premier bateau en composite en 1937, mais il n'a pas continué à l'époque en raison de la nature fragile du plastique utilisé. En 1939, la Russie aurait construit un bateau à passagers en matières plastiques, et les États-Unis un fuselage et des ailes d'avion. [9] La première voiture à avoir une carrosserie en fibre de verre fut la Stout Scarab de 1946. Un seul exemplaire de ce modèle a été construit. [10] Le prototype Ford de 1941 aurait pu être la première voiture en plastique, mais il existe une certaine incertitude quant aux matériaux utilisés car il a été détruit peu de temps après. [11] [12]
Le premier avion en plastique renforcé de fibres était soit le Fairchild F-46, dont le premier vol a eu lieu le 12 mai 1937, soit le Bennett Plastic Plane, construit en Californie. [13] Un fuselage en fibre de verre a été utilisé sur un Vultee BT-13A modifié désigné XBT-16 basé à Wright Field à la fin de 1942. [14] En 1943, d'autres expériences ont été entreprises pour construire des pièces structurelles d'avion à partir de matériaux composites, ce qui a permis au premier avion, un Vultee BT-15, avec un fuselage en GFRP, désigné XBT-19, de voler en 1944. [15] [16] [17] A un développement important dans l'outillage pour les composants GFRP avait été réalisé par Republic Aviation Corporation en 1943. [18]
La production de fibre de carbone a commencé à la fin des années 1950 et a été utilisée, quoique de manière peu répandue, dans l’industrie britannique à partir du début des années 1960. Des fibres d'aramide étaient également produites à cette époque, apparaissant pour la première fois sous le nom commercial Nomex par DuPont. Aujourd’hui, chacune de ces fibres est largement utilisée dans l’industrie pour toutes les applications nécessitant des plastiques présentant une résistance ou des qualités élastiques spécifiques. Les fibres de verre sont les plus courantes dans toutes les industries, bien que les composites de fibres de carbone et de fibres de carbone-aramide soient largement utilisés dans les applications de l'aérospatiale, de l'automobile et des articles de sport. [2] Ces trois catégories (verre, carbone et andaramide) continuent d'être les catégories importantes de fibres utilisées dans le FRP.
La production mondiale de polymères à l'échelle actuelle a commencé au milieu du 20e siècle, lorsque les faibles coûts de matériaux et de production, les nouvelles technologies de production et les nouvelles catégories de produits se sont combinés pour rendre la production de polymères économique. L’industrie a finalement atteint sa maturité à la fin des années 1970, lorsque la production mondiale de polymères a dépassé celle de l’acier, faisant des polymères le matériau omniprésent qu’il est aujourd’hui. Les plastiques renforcés de fibres constituent depuis le début un aspect important de cette industrie.
Le FRP implique deux processus distincts, le premier est le processus par lequel le matériau fibreux est fabriqué et formé, le second est le processus par lequel les matériaux fibreux sont liés à la matrice pendant le moulage. [2]
La fibre de renforcement est fabriquée dans des orientations bidimensionnelles et tridimensionnelles
Les polymères renforcés de fibres bidimensionnelles se caractérisent par une structure stratifiée dans laquelle les fibres sont uniquement alignées le long du plan dans les directions x et y du matériau. Cela signifie qu'aucune fibre n'est alignée dans l'épaisseur traversante ou dans la direction z, ce manque d'alignement dans l'épaisseur traversante peut créer un inconvénient en termes de coût et de traitement. Les coûts et la main d'œuvre augmentent parce que les techniques de traitement conventionnelles utilisées pour fabriquer des composites, telles que le drapage à la main, le moulage en autoclave et par transfert de résine, nécessitent une grande quantité de main d'œuvre qualifiée pour couper, empiler et consolider en un composant préformé.
Les composites polymères renforcés de fibres tridimensionnelles sont des matériaux dotés de structures de fibres tridimensionnelles qui incorporent des fibres dans les directions x, y et z. Le développement des orientations tridimensionnelles est né du besoin de l'industrie de réduire les coûts de fabrication, d'augmenter les propriétés mécaniques à travers l'épaisseur et d'améliorer la tolérance aux dommages causés par les impacts ; tous étaient des problèmes associés aux polymères bidimensionnels renforcés de fibres.
Les préformes fibreuses constituent la manière dont les fibres sont fabriquées avant d'être liées à la matrice. Les préformes fibreuses sont souvent fabriquées sous forme de feuilles, de tapis continus ou de filaments continus pour les applications par pulvérisation. Les quatre principales façons de fabriquer la préforme fibreuse sont les techniques de traitement textile que sont le tissage, le tricotage, le tressage et la couture.
Le tissage peut être réalisé de manière conventionnelle pour produire des fibres bidimensionnelles ainsi que dans un tissage multicouche pouvant créer des fibres tridimensionnelles. Cependant, le tissage multicouche nécessite plusieurs couches de fils de chaîne pour créer des fibres dans la direction z, ce qui crée quelques inconvénients lors de la fabrication, à savoir le temps nécessaire pour mettre en place tous les fils de chaîne sur le métier à tisser. Par conséquent, la plupart des tissages multicouches sont actuellement utilisés pour produire des produits de largeur relativement étroite ou des produits de grande valeur pour lesquels le coût de production des préformes est acceptable. Un autre des principaux problèmes rencontrés lors de l'utilisation de tissus tissés multicouches est la difficulté de produire un tissu contenant des fibres orientées avec des angles autres que 0' et 90' les uns par rapport aux autres respectivement.
La deuxième manière majeure de fabriquer des préformes fibreuses est le tressage. Le tressage convient à la fabrication de tissus plats ou tubulaires de faible largeur et n'est pas aussi performant que le tissage pour la production de grands volumes de tissus larges. Le tressage est effectué sur des mandrins dont la forme ou la dimension de la section transversale varie sur toute leur longueur. Le tressage est limité aux objets d’une taille d’environ une brique. Contrairement au tissage standard, le tressage peut produire un tissu contenant des fibres à un angle de 45 degrés les unes par rapport aux autres. Le tressage de fibres tridimensionnelles peut être réalisé à l'aide d'un tressage Interlock en quatre étapes, en deux étapes ou multicouches. Le tressage en quatre étapes ou en rangées et colonnes utilise un lit plat contenant des rangées et des colonnes de supports de fil qui forment la forme de la préforme souhaitée. Des supports supplémentaires sont ajoutés à l'extérieur du réseau, dont l'emplacement précis et la quantité dépendent de la forme exacte de la préforme et de la structure requise. Il existe quatre séquences distinctes de mouvements de rangées et de colonnes, qui agissent pour emboîter les fils et produire la préforme tressée. Les fils sont mécaniquement forcés dans la structure entre chaque étape pour consolider la structure selon un processus similaire à l'utilisation d'un roseau dans le tissage. Le tressage en deux étapes est différent du processus en quatre étapes car le processus en deux étapes comprend un grand nombre de fils fixés dans la direction axiale et un nombre réduit de fils de tressage. Le processus comprend deux étapes au cours desquelles les supports de tresse se déplacent complètement à travers la structure entre les supports axiaux. Cette séquence de mouvements relativement simple est capable de former des préformes de pratiquement n'importe quelle forme, y compris des formes circulaires et creuses. Contrairement au processus en quatre étapes, le processus en deux étapes ne nécessite pas de compactage mécanique. Les mouvements impliqués dans le processus permettent de resserrer la tresse par la seule tension du fil. Le dernier type de tressage est le tressage multicouche entrelacé qui consiste en un certain nombre de tresseurs circulaires standard assemblés pour former un cadre de tressage cylindrique. Ce cadre comporte un certain nombre de pistes de tressage parallèles autour de la circonférence du cylindre, mais le mécanisme permet le transfert des supports de fils entre des pistes adjacentes formant un tissu tressé multicouche avec des fils imbriqués dans les couches adjacentes. La tresse interlock multicouche diffère à la fois des tresses à quatre et deux étapes en ce que les fils imbriqués sont principalement dans le plan de la structure et ne réduisent donc pas de manière significative les propriétés dans le plan de la préforme. Les processus en quatre et deux étapes produisent un plus grand degré d'interconnexion à mesure que les fils de tressage traversent l'épaisseur de la préforme, mais contribuent donc moins aux performances dans le plan de la préforme. Un inconvénient de l'équipement de verrouillage multicouche est qu'en raison du mouvement sinusoïdal classique des supports de fil pour former la préforme, l'équipement n'est pas en mesure d'avoir la densité de supports de fil qui est possible avec les machines à deux et quatre étapes.
Le tricotage des préformes en fibres peut être réalisé avec les méthodes traditionnelles de tricot chaîne et [trame], et le tissu produit est souvent considéré par beaucoup comme un tissu bidimensionnel, mais les machines avec deux fontures ou plus sont capables de produire des tissus multicouches avec des fils qui traversent entre les couches. Développements dans les commandes électroniques pour la sélection des aiguilles et le transfert des boucles du tricot, ainsi que dans les mécanismes sophistiqués qui permettent de maintenir des zones spécifiques du tissu et de contrôler leur mouvement. Cela a permis au tissu de prendre la forme de préforme tridimensionnelle requise avec un minimum de gaspillage de matériau.
La couture est sans doute la plus simple des quatre principales techniques de fabrication textile et celle qui peut être réalisée avec le plus petit investissement en machines spécialisées. Fondamentalement, la couture consiste à insérer une aiguille portant le fil de couture à travers une pile de couches de tissu pour former une structure 3D. Les avantages de la couture sont qu'il est possible de coudre à la fois du tissu sec et du tissu préimprégné, bien que le caractère collant du préimprégné rende le processus difficile et crée généralement plus de dommages dans le matériau préimprégné que dans le tissu sec. La couture utilise également les tissus bidimensionnels standard couramment utilisés dans l'industrie des composites, ce qui crée un sentiment de familiarité concernant les systèmes de matériaux. L'utilisation d'un tissu standard permet également un plus grand degré de flexibilité dans la configuration du tissu du composant que ce qui est possible avec les autres procédés textiles, qui ont des restrictions sur les orientations des fibres pouvant être produites. [19]
Une structure rigide est généralement utilisée pour établir la forme des composants FRP. Les pièces peuvent être posées sur une surface plane appelée « plaque de calfeutrage » ou sur une structure cylindrique appelée « mandrin ». Cependant, la plupart des pièces en plastique renforcé de fibres sont créées avec un moule ou un « outil ». Les moules peuvent être des moules femelles concaves, des moules mâles, ou le moule peut enfermer complètement la pièce avec un moule supérieur et inférieur.
Les processus de moulage des plastiques FRP commencent par le placement de la préforme fibreuse sur ou dans le moule. La préforme fibreuse peut être une fibre sèche ou une fibre contenant déjà une quantité mesurée de résine appelée « préimprégné ». Les fibres sèches sont « mouillées » avec de la résine soit à la main, soit la résine est injectée dans un moule fermé. La pièce est ensuite durcie, laissant la matrice et les fibres dans la forme créée par le moule. La chaleur et/ou la pression sont parfois utilisées pour durcir la résine et améliorer la qualité de la pièce finale. Les différentes méthodes de formage sont listées ci-dessous.
Des feuilles individuelles de matériau préimprégné sont empilées et placées dans un moule de type femelle avec une vessie en forme de ballon. Le moule est fermé et placé dans une presse chauffée. Enfin, la vessie est mise sous pression, forçant les couches de matériau contre les parois du moule.
Lorsque la matière première (bloc de plastique, bloc de caoutchouc, feuille de plastique ou granulés) contient des fibres de renforcement, une pièce moulée par compression est considérée comme un plastique renforcé de fibres. Plus généralement, la préforme plastique utilisée dans le moulage par compression ne contient pas de fibres de renforcement. Dans le moulage par compression, une « préforme » ou « charge » de SMC, BMC est placée dans la cavité du moule. Le moule est fermé et le matériau est formé et durci à l'intérieur par pression et chaleur. Le moulage par compression offre d'excellents détails pour les formes géométriques allant des motifs et reliefs aux courbes complexes et formes créatives, en passant par l'ingénierie de précision, le tout dans un temps de durcissement maximum de 20 minutes. [20]
Des feuilles individuelles de matériau préimprégné sont superposées et placées dans un moule ouvert. Le matériau est recouvert d'un film antiadhésif, d'un matériau de purge/reniflard et d'un sac sous vide. Un vide est appliqué sur une partie et le moule entier est placé dans un autoclave (récipient sous pression chauffé). La pièce est durcie sous vide continu pour extraire les gaz piégés du stratifié. Il s'agit d'un processus très courant dans l'industrie aérospatiale car il permet un contrôle précis du moulage grâce à un cycle de durcissement long et lent qui dure entre une et plusieurs heures. [21] Ce contrôle précis crée les formes géométriques stratifiées exactes nécessaires pour garantir la résistance et la sécurité dans l'industrie aérospatiale, mais il est également lent et demande beaucoup de main d'œuvre, ce qui signifie que les coûts le confinent souvent à l'industrie aérospatiale. [20]
Des feuilles de matériau préimprégné sont enroulées autour d'un mandrin en acier ou en aluminium. Le matériau préimprégné est compacté avec du ruban de violoncelle en nylon ou en polypropylène. Les pièces sont généralement durcies par lots par ensachage sous vide et suspendues dans un four. Après durcissement, le violoncelle et le mandrin sont retirés, laissant un tube de carbone creux. Ce processus crée des tubes de carbone creux solides et robustes.
Le formage par stratification humide combine le renforcement des fibres et la matrice au fur et à mesure qu'ils sont placés sur l'outil de formage. [2] Les couches de fibres de renforcement sont placées dans un moule ouvert puis saturées d'une résine humide en la versant sur le tissu et en l'incorporant dans le tissu. Le moule est ensuite laissé pour que la résine durcisse, généralement à température ambiante, bien que la chaleur soit parfois utilisée pour garantir un durcissement correct. Parfois, un sac sous vide est utilisé pour comprimer une couche humide. Les fibres de verre sont les plus couramment utilisées pour ce processus. Les résultats sont largement connus sous le nom de fibre de verre et sont utilisés pour fabriquer des produits courants comme les skis, les canoës, les kayaks et les planches de surf. [20]
Des brins continus de fibre de verre sont poussés à travers un pistolet portatif qui coupe les brins et les combine avec une résine catalysée telle que le polyester. Le verre haché imprégné est projeté sur la surface du moule selon l'épaisseur et le design que l'opérateur humain juge appropriés. Ce procédé convient aux grandes séries de production à un coût économique, mais produit des formes géométriques moins résistantes que les autres procédés de moulage et présente une faible tolérance dimensionnelle. Design Tanks LLC est l'un des principaux fabricants utilisant ce procédé. [20]
Les machines tirent les faisceaux de fibres à travers un bain humide de résine et les enroulent sur un mandrin en acier rotatif dans des orientations spécifiques. Les pièces sont durcies à température ambiante ou à température élevée. Le mandrin est extrait, laissant une forme géométrique définitive mais peut être laissé dans certains cas. [20]
Les faisceaux de fibres et les tissus fendus sont tirés à travers un bain humide de résine et façonnés pour obtenir la forme brute de la pièce. Le matériau saturé est extrudé à partir d’une filière fermée chauffée tout en étant continuellement tiré à travers la filière. Certains des produits finaux de la pultrusion sont des formes structurelles, c'est-à-dire une poutre en I, un angle, un canal et une tôle plate. Ces matériaux peuvent être utilisés pour créer toutes sortes de structures en fibre de verre telles que des échelles, des plates-formes, des systèmes de mains courantes, des réservoirs, des supports de tuyaux et de pompes. [20]
Aussi appelée infusion de résine . Les tissus sont placés dans un moule dans lequel de la résine humide est ensuite injectée. La résine est généralement pressurisée et forcée dans une cavité sous vide lors du moulage par transfert de résine. La résine est entièrement tirée dans la cavité sous vide lors d'un moulage par transfert de résine assisté par vide. Ce processus de moulage permet des tolérances précises et une mise en forme détaillée, mais peut parfois ne pas parvenir à saturer complètement le tissu, ce qui entraîne des points faibles dans la forme finale. [20]
Le FRP permet l'alignement des fibres de verre des thermoplastiques pour s'adapter à des programmes de conception spécifiques. Spécifier l'orientation des fibres de renforcement peut augmenter la résistance et la résistance à la déformation du polymère. Les polymères renforcés de verre sont plus solides et plus résistants aux forces de déformation lorsque les fibres du polymère sont parallèles à la force exercée, et sont plus faibles lorsque les fibres sont perpendiculaires. Cette capacité est donc à la fois un avantage ou une limitation selon le contexte d'utilisation. Les points faibles des fibres perpendiculaires peuvent être utilisés pour les charnières et connexions naturelles, mais peuvent également conduire à une défaillance du matériau lorsque les processus de production ne parviennent pas à orienter correctement les fibres parallèlement aux forces attendues. Lorsque des forces sont exercées perpendiculairement à l’orientation des fibres, la résistance et l’élasticité du polymère sont inférieures à celles de la matrice seule. Dans les composants en résine coulée constitués de polymères renforcés de verre tels que UP et EP, l'orientation des fibres peut être orientée dans des tissages bidimensionnels et tridimensionnels. Cela signifie que lorsque les forces sont éventuellement perpendiculaires à une orientation, elles sont parallèles à une autre orientation ; cela élimine le potentiel de points faibles dans le polymère.
Une défaillance structurelle peut survenir dans les matériaux FRP lorsque :
Les forces de traction étirent davantage la matrice que les fibres, provoquant un cisaillement du matériau à l'interface entre la matrice et les fibres.
Les forces de traction proches de l'extrémité des fibres dépassent les tolérances de la matrice, séparant les fibres de la matrice.
Les forces de traction peuvent également dépasser les tolérances des fibres, provoquant la rupture des fibres elles-mêmes, entraînant une rupture du matériau. [2]
Un matériau matriciel polymère thermodurci, ou un matériau matriciel polymère thermoplastique de qualité technique, doit répondre à certaines exigences afin d'être d'abord adapté aux FRP et d'assurer un renforcement réussi de lui-même. La matrice doit être capable de saturer correctement, et de préférence de se lier chimiquement au renfort fibreux pour une adhérence maximale dans une période de durcissement appropriée. La matrice doit également envelopper complètement les fibres pour les protéger des coupures et encoches qui réduiraient leur résistance, et pour transférer les forces aux fibres. Les fibres doivent également être séparées les unes des autres afin que si une défaillance se produit, elle soit localisée autant que possible, et si une défaillance se produit, la matrice doit également se décoller de la fibre pour des raisons similaires. Enfin, la matrice doit être constituée d'un plastique qui reste chimiquement et physiquement stable pendant et après les processus de renforcement et de moulage. Pour pouvoir servir de matériau de renforcement, les additifs fibreux doivent augmenter la résistance à la traction et le module d'élasticité de la matrice et répondre aux conditions suivantes : les fibres doivent dépasser la teneur critique en fibres ; la résistance et la rigidité des fibres elles-mêmes doivent dépasser la résistance et la rigidité de la matrice seule ; et il doit y avoir une liaison optimale entre les fibres et la matrice
Les « plastiques renforcés de fibres de verre » ou FRP (communément appelés simplement fibre de verre) utilisent des fibres de verre de qualité textile. Ces fibres textiles sont différentes des autres formes de fibres de verre utilisées pour emprisonner délibérément l'air, à des fins d'isolation (voir laine de verre). Les fibres de verre textiles commencent par diverses combinaisons de SiO 2, AlO 2, 3BO 2, 3CaO ou MgO sous forme de poudre. Ces mélanges sont ensuite chauffés par fusion directe à des températures d'environ 1 300 degrés Celsius, après quoi des filières sont utilisées pour extruder des filaments de fibre de verre d'un diamètre allant de 9 à 17 µm. Ces filaments sont ensuite enroulés en fils plus gros et filés sur des bobines pour le transport et le traitement ultérieur. La fibre de verre est de loin le moyen le plus populaire pour renforcer le plastique et bénéficie donc d'une multitude de procédés de production, dont certains sont également applicables aux fibres d'aramide et de carbone en raison de leurs qualités fibreuses communes.
Le roving est un processus dans lequel les filaments sont filés en fils de plus grand diamètre. Ces fils sont ensuite couramment utilisés pour les tissus et tapis de verre de renforcement tissés, ainsi que dans les applications par pulvérisation.
Les tissus en fibres sont des matériaux de renforcement de tissu en forme de bande qui ont à la fois des directions chaîne et trame. Les nattes de fibres sont des nattes non tissées en forme de bande de fibres de verre. Les tapis sont fabriqués en dimensions coupées avec des fibres coupées, ou en tapis continus utilisant des fibres continues. La fibre de verre hachée est utilisée dans des procédés où des longueurs de fils de verre sont coupées entre 3 et 26 mm, les fils sont ensuite utilisés dans les plastiques les plus couramment destinés aux procédés de moulage. Les brins courts de fibre de verre sont des brins courts de fibres de verre de 0,2 à 0,3 mm qui sont utilisés pour renforcer les thermoplastiques le plus souvent pour le moulage par injection.
Les fibres de carbone sont créées lorsque les fibres de polyacrylonitrile (PAN), les résines de brai ou la rayonne sont carbonisées (par oxydation et pyrolyse thermique) à haute température. Grâce à d'autres processus de graphitisation ou d'étirement, la résistance ou l'élasticité des fibres peut être respectivement améliorée. Les fibres de carbone sont fabriquées dans des diamètres analogues aux fibres de verre avec des diamètres allant de 4 à 17 µm. Ces fibres sont enroulées en fils plus gros pour le transport et les processus de production ultérieurs. [2] D'autres procédés de production comprennent le tissage ou le tressage de tissus, tissus et tapis de carbone analogues à ceux décrits pour le verre qui peuvent ensuite être utilisés dans de véritables renforts. [1]
Les fibres aramides sont plus communément connues sous les noms de Kevlar, Nomex et Technora. Les aramides sont généralement préparés par la réaction entre un groupe amine et un groupe halogénure d'acide carboxylique (aramide) ; [1] cela se produit généralement lorsqu'un polyamide aromatique est filé à partir d'une concentration liquide d'acide sulfurique en une fibre cristallisée. [2] Les fibres sont ensuite filées en fils plus gros afin de former de grandes cordes ou des tissus tissés (aramide). [1] Les fibres d'aramide sont fabriquées avec différentes qualités en fonction de différentes qualités de résistance et de rigidité, de sorte que le matériau peut être quelque peu adapté aux besoins spécifiques de conception, tels que la coupe du matériau résistant pendant la fabrication. [2]
| Matériau de renfort [2] | Matériaux de matrice les plus courants | Propriétés améliorées |
|---|---|---|
| Fibres de verre | UP, EP, PA, PC, POM, PP, PBT, VE | Solidité, élasticité, résistance à la chaleur |
| Fibres de bois | PE, PP, ABS, PEHD, PLA | Résistance à la flexion, module de traction, résistance à la traction |
| Fibres de carbone et d'aramide | EP, UP, VE, PA | Élasticité, résistance à la traction, résistance à la compression, résistance électrique. |
| Particules inorganiques | Thermoplastiques semi-cristallins, UP | Retrait isotrope, abrasion, résistance à la compression |
Les plastiques renforcés de fibres conviennent parfaitement à tout programme de conception qui exige des économies de poids, une ingénierie de précision, des tolérances finies et une simplification des pièces tant dans la production que dans l'exploitation. Un artefact en polymère moulé est moins cher, plus rapide et plus facile à fabriquer qu'un artefact en fonte d'aluminium ou en acier, et conserve des tolérances et des résistances matérielles similaires, voire meilleures.
Gouvernail de direction de l'Airbus A310
Les avantages par rapport à un gouvernail traditionnel en tôle d'aluminium sont :
25% de réduction de poids
Réduction de 95 % des composants en combinant des pièces et des formes en pièces moulées plus simples.
La réduction globale des coûts de production et d'exploitation, l'économie de pièces entraînent une baisse des coûts de production et les économies de poids créent des économies de carburant qui réduisent les coûts opérationnels de pilotage de l'avion.
Les collecteurs d'admission du moteur sont en PA 66 renforcé de fibres de verre.
Les avantages que cela présente par rapport aux collecteurs en fonte d'aluminium sont :
Jusqu'à 60% de réduction de poids
Qualité de surface et aérodynamisme améliorés
Réduction des composants en combinant des pièces et des formes en formes moulées plus simples.
Pédales d'accélérateur et d'embrayage automobiles en PA 66 renforcé de fibres de verre (DWP 12-13)
Les avantages par rapport à l'aluminium estampé sont :
Les pédales peuvent être moulées sous forme d'unités uniques combinant à la fois des pédales et des liaisons mécaniques, simplifiant ainsi la production et le fonctionnement de la conception.
Les fibres peuvent être orientées pour se renforcer contre des contraintes spécifiques, augmentant ainsi la durabilité et la sécurité.
Les fenêtres, portes et façades en aluminium sont isolées thermiquement grâce à l'utilisation de plastiques d'isolation thermique en polyamide renforcé de fibres de verre. En 1977, Ensinger GmbH a produit le premier profilé isolant pour systèmes de fenêtres.
Le FRP peut être appliqué pour renforcer les poutres, les colonnes et les dalles des bâtiments et des ponts. Il est possible d’augmenter la résistance des éléments structurels même après qu’ils ont été gravement endommagés en raison des conditions de charge. Dans le cas d'éléments en béton armé endommagés, cela nécessiterait d'abord la réparation de l'élément en enlevant les débris et en remplissant les cavités et les fissures avec du mortier ou de la résine époxy. Une fois l'élément réparé, le renforcement peut être obtenu par une superposition humide et manuelle consistant à imprégner les feuilles de fibres avec de la résine époxy, puis à les appliquer sur les surfaces nettoyées et préparées de l'élément.
Deux techniques sont généralement adoptées pour le renforcement des poutres, en fonction de l'amélioration de la résistance souhaitée : le renforcement en flexion ou le renforcement en cisaillement. Dans de nombreux cas, il peut être nécessaire d’apporter les deux améliorations de force. Pour le renforcement en flexion d'une poutre, des feuilles ou des plaques FRP sont appliquées sur la face tendue de l'élément (la face inférieure d'un élément simplement soutenu avec une charge supérieure appliquée ou une charge gravitationnelle). Les principales fibres de traction sont orientées dans l'axe longitudinal de la poutre, de la même manière que son renfort interne en acier de flexion. Cela augmente la résistance de la poutre et sa rigidité (charge nécessaire pour provoquer la déflexion de l'unité), mais diminue la capacité de déflexion et la ductilité.
Pour le renforcement en cisaillement d'une poutre, le FRP est appliqué sur l'âme (côtés) d'un élément avec des fibres orientées transversalement à l'axe longitudinal de la poutre. La résistance aux forces de cisaillement est obtenue de la même manière que pour les étriers internes en acier, en comblant les fissures de cisaillement qui se forment sous la charge appliquée. Le FRP peut être appliqué dans plusieurs configurations, en fonction des faces exposées de l'élément et du degré de renforcement souhaité, notamment : collage latéral, enveloppes en U (vestes en U) et enveloppes fermées (enveloppes complètes). Le collage latéral consiste à appliquer du FRP sur les côtés de la poutre uniquement. Il fournit le moins de renforcement en cisaillement dû aux ruptures causées par le décollement de la surface du béton au niveau des bords libres du FRP. Pour les enveloppes en U, le FRP est appliqué en continu en forme de « U » autour des côtés et de la face inférieure (tension) de la poutre. Si toutes les faces d'une poutre sont accessibles, l'utilisation d'enveloppes fermées est souhaitable car elles améliorent au maximum la résistance. L'emballage fermé implique l'application de FRP sur tout le périmètre de l'élément, de telle sorte qu'il n'y ait pas d'extrémités libres et que le mode de défaillance typique soit la rupture des fibres. Pour toutes les configurations d'enveloppement, le FRP peut être appliqué sur toute la longueur de l'élément sous forme de feuille continue ou de bandes discrètes, ayant une largeur et un espacement minimum prédéfinis.
Les dalles peuvent être renforcées en appliquant des bandes de FRP sur leur face inférieure (tension). Cela se traduira par de meilleures performances en flexion, puisque la résistance à la traction des dalles est complétée par la résistance à la traction du FRP. Dans le cas des poutres et des dalles, l’efficacité du renforcement du PRF dépend des performances de la résine choisie pour le collage. Ceci est particulièrement problématique pour le renforcement en cisaillement à l'aide de collages latéraux ou d'enveloppes en U. Les colonnes sont généralement enveloppées de FRP autour de leur périmètre, comme pour un emballage fermé ou complet. Cela se traduit non seulement par une résistance au cisaillement plus élevée, mais aussi, ce qui est plus crucial pour la conception des colonnes, par une résistance à la compression accrue sous charge axiale. L'enveloppe FRP fonctionne en limitant l'expansion latérale de la colonne, ce qui peut améliorer le confinement de la même manière que le renforcement en spirale pour le noyau de la colonne.
En juin 2013, la société d'ascenseurs KONE a annoncé qu'Ultrarope serait utilisé pour remplacer les câbles en acier dans les ascenseurs. Il scelle les fibres de carbone dans un polymère à haute friction. Contrairement au câble en acier, Ultrarope a été conçu pour les bâtiments nécessitant jusqu'à 1 000 mètres de levage. Les ascenseurs en acier culminent à 500 mètres. L'entreprise a estimé que dans un bâtiment de 500 mètres de haut, un ascenseur consommerait 15 % d'énergie électrique en moins qu'un ascenseur à câble d'acier. En juin 2013, le produit avait passé avec succès tous les tests de certification de l'Union européenne et des États-Unis. [22]
Le FRP est utilisé dans les conceptions qui nécessitent une mesure de résistance ou de module d'élasticité pour laquelle les plastiques non renforcés et d'autres choix de matériaux ne sont pas adaptés mécaniquement ou économiquement. Cela signifie que la principale considération de conception pour l'utilisation du FRP est de garantir que le matériau est utilisé de manière économique et d'une manière qui tire spécifiquement parti de ses améliorations structurelles. Ce n'est cependant pas toujours le cas, l'orientation des fibres crée également une faiblesse du matériau perpendiculairement aux fibres. Ainsi, l'utilisation de renforts fibreux et leur orientation affectent la résistance, la rigidité et l'élasticité d'une forme finale et donc le fonctionnement du produit final lui-même. L'orientation de la direction des fibres, unidirectionnelle, bidimensionnelle ou tridimensionnelle pendant la production, affecte le degré de résistance, de flexibilité et d'élasticité du produit final. Les fibres orientées dans la direction des forces présentent une plus grande résistance à la déformation due à ces forces et vice versa, ainsi les zones d'un produit qui doivent résister aux forces seront renforcées avec des fibres dans la même direction, et les zones qui nécessitent de la flexibilité, comme les charnières naturelles, utiliseront des fibres dans une direction perpendiculaire aux forces. L'utilisation de plus de dimensions évite ce scénario et crée des objets qui cherchent à éviter tout point faible spécifique dû à l'orientation unidirectionnelle des fibres. Les propriétés de résistance, de flexibilité et d’élasticité peuvent également être amplifiées ou diminuées par la forme géométrique et la conception du produit final. Celles-ci incluent des considérations de conception telles que garantir une épaisseur de paroi appropriée et créer des formes géométriques multifonctionnelles qui peuvent être moulées en pièces uniques, créant des formes ayant plus d'intégrité matérielle et structurelle en réduisant les joints, les connexions et le matériel. [2]
En tant que sous-ensemble de plastiques, les plastiques FR sont sujets à un certain nombre de problèmes et de préoccupations liés à l'élimination et au recyclage des déchets plastiques. Les plastiques posent un défi particulier en matière de recyclage car ils sont dérivés de polymères et de monomères qui ne peuvent souvent pas être séparés et renvoyés à leur état vierge. Pour cette raison, tous les plastiques ne peuvent pas être recyclés pour être réutilisés. En fait, certaines estimations affirment que seulement 20 à 30 % des plastiques peuvent être recyclés. Les plastiques renforcés de fibres et leurs matrices partagent ces préoccupations en matière d’élimination et d’environnement. En plus de ces préoccupations, le fait que les fibres elles-mêmes soient difficiles à retirer de la matrice et à conserver en vue de leur réutilisation signifie que les PRF amplifient ces défis. Les FRP sont intrinsèquement difficiles à séparer en matériaux de base, c'est-à-dire en fibres et matrice, et la matrice en plastiques, polymères et monomères utilisables séparés. Ce sont toutes des préoccupations pour une conception respectueuse de l’environnement aujourd’hui. Les plastiques offrent souvent des économies d’énergie et économiques par rapport à d’autres matériaux. De plus, avec l’avènement de nouvelles matrices plus respectueuses de l’environnement telles que les bioplastiques et les plastiques dégradables aux UV, le FRP deviendra de plus en plus sensible à l’environnement. [1]
Thermoplastique renforcé de fibres longues
^ a b c d e Smallman, RE et RJ Bishop. Métallurgie physique moderne et génie des matériaux. 6e éd. Oxford : Butterworth-Heinemann, 1999.
^ Aller jusqu'à : a b c d e f g h i j Erhard, Gunter. Concevoir avec des plastiques. Trans. Martin Thompson. Munich : Éditions Hanser, 2006.
^ Amato, Ivan (29 mars 1999). 'Léo Baekeland'. Temps 100 . TEMPS.
Aller ^ 'Leo Baekeland'. Plastiques . Site d'histoire du Royaume-Uni. 28 juin 2000.
Aller ^ 'Nouvelle substance chimique' (PDF). Le New York Times. 6 février 1909.
Aller ^ Résine synthétique – Utilisation dans la construction aéronautique, The Times, Londres Angleterre, lundi 5 octobre 1936, page 14, numéro 47497
Aller ^ Brevet américain numéro 2133235 : Méthode et appareil pour fabriquer de la laine de verre Premier brevet sur la laine de verre Slayter, 1933.
Aller ^ 50 ans de bateaux en plastique renforcé, George Marsh, 8 octobre 2006, http://www.reinforcedplastics.com/view/1461/50-years-of-reinforced-plastic-boats-/
Aller ^ Progrès notables – l'utilisation des plastiques, Evening Post, Wellington, Nouvelle-Zélande, volume CXXVIII, numéro 31, 5 août 1939, page 28.
Aller ^ Voiture du futur en plastique, The Mercury (Hobart, Tasmanie), lundi 27 mai 1946, page 16
Aller ^ 'Automobile d'après-guerre'. Record quotidien de Bradford . 28 mars 1941, p. 12. Récupéré le 17 juin 2015 – via Newspapers.com. 
Aller ^ 'Automobile d'après-guerre'. Les temps du Corpus Christi . 12 janvier 1942, p. 3. Récupéré le 17 juin 2015 – via Newspapers.com.
Aller ^ 'Les avions en plastique fabriqués à partir de moules sont un plan de l'armée'. Tribune quotidienne de Greeley . 24 juin 1938, p. 2. Récupéré le 12 août 2015 – via Newspapers.com.
Aller ^ Avions de guerre américains de la Seconde Guerre mondiale, David Donald, Aerospace Publishing Limited, 1995, pages 251-252, ISBN 1-874023-72-7
Aller ^ Accélérer l'utilisation de nouveaux matériaux, Comité du Conseil national de recherches (États-Unis) sur l'utilisation accélérée des nouveaux matériaux, Washington, National Academy of Sciences – National Academy of Engineering, Springfield, Virginie, 1971, pages 56-57 par WP Conrardy
^ Fuselages sandwich en fibre de verre moulée pour avion BT-15, rapport technique 5159 de l'armée de l'air, 8 novembre 1944
Aller^ Manuel sur les plastiques renforcés ; Donald V. Rosato, Dominick V. Rosato et John Murphy ; Elsevier; 2004 ; page 586
Aller ^ Histoire des composites, Tim Palucka et Bernadette Bensaude-Vincent, http://authors.library.caltech.edu/5456/1/hrst.mit.edu/hrs/materials/public/composites/Composites_Overview.htm
Aller ^ Tong, L, AP Mouritz et Mk Bannister. Composites polymères renforcés de fibres 3D. Oxford : Elsevier, 2002.
^ Aller jusqu'à : a b c d e f g Moulage composite
Aller ^ Dogan, Fatih ; Hadavinia, Homayoun ; Donchev, Todor ; Bhonge, Prasannakumar S. (5 août 2012). 'Délaminage des structures composites impactées par éléments d'interface de zone cohésive et contact tie-break'. Journal d'ingénierie d'Europe centrale . 2(4) : 612-626. est ce que je:10.2478/s13531-012-0018-0.
^ 'UltraRope a annoncé un zoom unique sur les grands bâtiments'. Phys.org. Récupéré le 13/06/2013.
>>>>>Remarque : article provenant de https://en.wikipedia.org/wiki/Fibre-reinforced_plastic<<<<