Pour palier à ces faiblesses mécaniques des résines, on leur incorpore certaines fibres. La fibre de verre est le plus couramment utilisée. A priori, il est surprenant d'utiliser pour le renforcement un matériau aussi fragile que le verre. La fibre est constituée de filaments en verre d'un diamètre de moins d'un centième de millimètres. Il sont obtenus par étirement à très grande vitesse de filaments très chauds issus d'un four contenant du verre en fusion. C'est cet étirement important favorisant l'alignement des chaines moléculaires dans le sens longitudinal qui permet d'obtenir des qualités mécaniques remarquables.
La densité du verre E est 2,5. Ses caractéristiques mécaniques sont
module d'élasticité = 7300 hb
résistance à la traction du filament = 220 hb
allongement à la rupture (dans le composite) = 3% (la rupture est du type fragile)
(la résitance à la rupture du filament vierge n'est pas loin de l'acier!)
Ces valeurs sont ceux du filament et non ceux du composite.
En les comparant à ceux des résines on comprend tout l'intérêt d'un renforcement par fibres (et aussi d'avoir dans la résine un taux maximum de fibres.)
Revenons à leur production. La cuve contenant le verre en fusion possède à sa base un grand nombre de trous par lequels sortent les filaments de verre. Ces derniers sont assemblés en un seul fil pendant l'étirement à chaud. Le fil de verre ainsi formé s'appelle silionne. On assemble aussi, par après et à froid, plusieurs fils de silionne pour former un fil plus épais qui est appelé roving. A priori, on pourrait croire qu'il n'y pas de différences entre roving et silionne puisque dans les deux cas on a finalement un assemblage de filaments. On verra par la suite la différence qu'il y aura dans le composite.
Il faut aussi indiquer que les fils subissent un traitement de surface appelé ensimage destiné à faciliter certaines opérations comme le tissage. (Si la nature du produit d'ensimage n'est pas compatible avec les résines d'impégnation, une opération de désensimage doit être faite).
On produit aussi des fils formés d'un assemblage de filaments discontinus (de quelques cm de long ). Ce fil ainsi obtenu s'appelle verrane et il a la propriété de se mettre en position d'angle sans être rebelle comme un fil de roving ou de silonne. Les tissus de verrane sont utilisés pour le moulage de pièces anguleuses (et de certains moules).
Ces divers fils de verre sont souvent tissés ou assemblés par un liant (mat de verre). Dans ce dernier cas il n'y a pas d'orientation priviliégie des fibres comme c'est le cas des tissus. L'influence de l'orientation des fibres sera étudiée par la suite.
Pour les tissus, il existe plusieurs types de tissages appelés armures. Les fils tranversaux sont dits de trame et les fils longitudinaux sont dits de chaîne. Les trois principales armures sont le taftas ou toile, les sergés, et les satins.
Il existe aussi des tissus unidirectionnels ou la majorité des fils sont de chaîne (ou de trame) et des nappes unidirectionnelles non tissées.
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Taftas : 1 pris et 1 sauté
Sergé 2/1 Le nombre de pris est différent du nombre de sautés Exemple: sergé de 3/2 ( 3 pris et 2 sautés) |
Satin de 5 (4 sautés et 1 pris) Pour le satin: plusieurs sautés ( de 4 à 8) et un seul pris. Les deux faces du tissus n'ont pas le même aspect (un satin 9 correspond presque à deux couches de tissus unidirectionel: l'un en trame et l'autre en chaine) |
Par la suite, on étudira l'influence du type de tissage dans le composite
A côté des fibres de verres, on utilise d'autres fibres et en particulier les aramides commercialisées par la société Dupont de Nemours sous le nom de Kevlar. Il faut distinguer le Kevlar 49 du Kevlar 29 qui n'ont pas les mêmes propriétés mécaniques.
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Propriétés |
Unité |
Kevlar 29 |
Kevlar 49 |
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Résistance à la rupture Elongation à la rupture Module d'élasticité Diamètre des filaments Densité |
Hb % Hb micron |
270 4 6000 12,1 1,44 |
270 2,1 13000 11,9 1,45 |
Ces valeurs sont ceux du filament et non ceux du composite.
Dans les composites, on préfère l'utilisation du Kevlar 49 : il permet d'obtenir plus de rigidité que le 29.
Par contre, ce dernier permet une plus grande absorbtion d'énergie grâce à son allongement à la rupture plus grand
(consulter la formule en fin du paragraphe 2). La rupture du filament de kevlar est de type ductile. Ceci est une grande différence par rapport au verre et permet une bonne résistance à l'impact. Le kevlar possède une grande faiblesse : il renforce mal les composites lors des efforts de compressions.
Il existe également d'autre fibres synthétiques pour renforcer les résines (diolen ...) . Elles ont souvent un module d'élasticité peu favorable (d'où un composite peu rigide) mais grace à un grand allongement à la rupture elles assurent une bonne résistance aux impacts.(bonne absorbtion de l'énergie).
La fibre de carbone est aussi un matériau très intérressant. On distingue d'une part la fibre de graphite qui dispose d'un haut module appelée carbone H.M. et une variété ayant une haute résistance appelée carbone HT
(ne pas les confondre avec la fibre de carbone réfractaire)
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Propriétés |
Unité |
Carbone H T |
Carbone H M |
|---|---|---|---|
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Résistance à la rupture Elongation à la rupture Module d'élasticité Diamètre des filaments Densité |
Hb % Hb micron |
260 1,4 23000 8 1,75 |
230 0,7 42000 8 1,95 |
Ces valeurs sont ceux du filament et non ceux du composite.
La rupture des fibres de carbone est du type fragile (comme pour le verre). Les composites ont une grande rigidité et les qualités mécaniques sont très bonnes (même en compression). Mais leur faible allongement à la rupture n'assure pas une très bonne résistance aux impacts (sutout pour le carbone HM)
Dans le paragraphe suivant, nous allons étudier plus en détail le composite à partir des caractéristiques des matériaux que nous venons de présenter.
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