Les renforts de fibres: une composante essentielle des PRF.

Les propriétés des renforts de fibres sont dictées par leur deux éléments principaux: leur nature et leur tissage. On ne peut dire d’un type de fibre qu’il est supérieur à un autre; chacun d’eux possède des qualités et des défauts qui lui sont propres (coûts, résistance chimique, tenue mécanique, etc.). Il faut garder à l’esprit que le choix des matériaux de bases (renforts et résines) est critique afin d’obtenir des pièces de qualité.

Nature des principaux renforts de fibres utilisés

On entend par nature des fibres leur composition chimique. Typiquement, les trois familles les plus employées sont les fibres de verre, de carbone et d’aramides.

Toutefois, plusieurs autres fibres synthétiques plus techniques (polyéthylène ultra haute densite – UHMWPE, fibres céramiques, nylon, etc.) peuvent être utilisées dans des contextes où les pièces seront soumisses à des conditions plus extrêmes.

Fabrication fibre de verre
Figure 1: Procédé de fabrication de la fibre de verre (tiré du Larousse)

Fibres_renforts

Figure 2Différents types de renforts de fibres. (1) Voile de surface de fibres de verre. (2) Mat de brin coupés («CSM») de verre. (3) Brins de fibres de verre («roving»). Armure en (4) toile de fibre de verre, (5) toile de fibres de lins et (6) de toile de fibres aramides (Kevlar® 49) tissées. (7) Tissu unidirectionnel de fibres de carbone HM et de fibres de verre tissées. (8) Mat à infusion avec cœur de polypropylène. (9) Tissu biaxial tridimensionnel de fibres de verre (pour créer des doubles parois).

Fibres de verre

Les fibres de verre ne sont pas aussi rigide que les fibres de carbone,  mais présente un rapport performances/prix très avantageux. Ainsi, les fibres de verre constituent les renforts des plastiques renforcés de fibres dans plus de 80% des cas. Ces fibres sont non conductrices et transparentes à presque tous les types de transmissions. Il existe 5 classes principales de fibres de verre: Le verre A (alcalin) offre une bonne résistance chimique aux bases, mais au détriment des qualités électromagnétiques. Le verre C (chimique) offre une résistance encore plus accrue et variée aux agressions chimiques. Le  verre E (électrique) est le plus répandu; il est un excellent isolant et résiste aux milieux humides; son prix en fait le compris idéal dans bien des situations. Dans le verre S (structurel), se sont les propriétés mécaniques qui sont optimisées. Finalement, le verre D (diélectrique) offre les meilleures propriétés électriques, au détriment de celles mécaniques comparé au verre de type E par exemple.

Fibres de carbone

Les stratifiés en fibres de carbone présentent une très grande rigidité et une haute résistance mécanique. La résistance à la fatigue lors de contraintes dynamiques est remarquable. Contrairement aux fibres de verre, elles conduisent très bien l’électricité et ainsi davantage la chaleur. Elle sont peu denses (40 % moins que l’aluminium), extrêmement résistantes dans leur  version HR (autant que les aciers à hautes résistances), extrêmement rigides dans leurs versions HM (davantage que le titane), ne se fatiguent quasiment pas une fois sous contraintes, ne fluent que très peu, résistent bien à l’abrasion avec leur coefficient de friction bas, dimensionnellement très stables avec une expansion thermique presque nulle (avec un bon design), atténuent les vibrations et constituent d’excellent bouclier électromagnétiques.

Fibres aramide

Ces fibres sont souvent nommées à partir de noms commerciaux, principalement Kevlar® et Twaron®.  On recommande l’utilisation des fibres d’aramide pour réaliser des pièces à haute résilience (aux impacts par exemple) ou particulièrement résistantes à l’abrasion. Les chaînes moléculaires sont fortement orientées dans le sens de l’axe de la fibre, de sorte que les interactions moléculaires peuvent être exploitées pour la résistance thermique et/ou mécanique.

Fibres synthétiques et naturelles

  • Les fibres de polyéthylène (ex: Dyneema®, Spectra®) garantissent une très grande résilience pour un faible poids spécifique, comme les fibres d’aramide;
  • Les fibres de ECTFE (Éthylène chlorotrifluoroéthylène) (Halar®) ont été conçus pour offrir une excellente résistance chimiques dans certaines conditions de services très corrosives halogénées. Leurs propriétés chimiques sont similaires à celle du PTFE (Teflon®);
  • Les fibres de polyester (Dacron, Mylar, Nexus®), aussi conçues pour des milieux extrêmement corrosif tels que l’acide sulfurique concentré;
  • Les fibres de bore, utilisées pour leur très grande résistance mécanique en compression;
  • Les fibres naturelles, comme les fibres de basalte ou de lin, peuvent être employée avantageusement pour diminuer l’empreinte environnementale des pièces de PRF;
  • Et plusieurs autres!

Tableau 1Différents types de renforts de fibres utilisés.

PROPRIÉTÉ Unités Verre C Verre E Verre ECR Verre S-2 Carbone HR Carbone HM Carbone UHM Aramide (Kevlar 49)
Densité g / cm³ 2,52 2,58 2,72 2,46 1,8 1,9 2,0 – 2,1 1,45
Résistance à la traction MPa 3310 3500 3445 4200 – 4890 2480 – 5600 1500 -1860 1030 – 1310 3000 – 3500
Module d’élasticité (E, Young) GPa 69 69-72 80 85 – 87 230 – 295 500 – 520 530 – 620 124 – 135
Élongation à la rupture % 4,8 3,0 – 4,8 4,8 5.3 – 5,7 1,4  –  –  –

Tissage des fibres

Le tissage des fibres réfère à leur orientation dans l’espace. Le choix du tissage dépend de l’orientation des contraintes mécaniques que subira la pièce. Trois tissages principaux sont retrouvé dans l’industrie: l’armure en toile (ou taffetas), l’armure en satin et l’armure en sergé. Il existe ainsi , en combinant ces variantes à la nature du renfort, une gamme de possibilités presqu’infinies.  Plusieurs tissus emploient aussi l’axe des z (tissus 3D, tissus d’infusion, etc.) pour obtenir des performances et des propriétés sur mesure.

Tissage_renforts

Figure 3: Quelques types de tissage; le taffetas (A), le satin (B) et le sergé (C).

Poursuivre vers les résines thermodurcissables

Afin de s’assurer que les performances du matériau choisi sont adéquates pour l’application visée, le client doit vérifier, indépendamment de FVJR, les caractéristiques pertinentes aux performances souhaitées. Les données présentées, bien que considérées comme valides, ne sont présentées qu’à titre informatif. La vente de tout produit mentionnés dans ce document sont tributaires des termes et conditions du contrat liant éventuellement les parties lors de leur vente. Les données mentionnées dans ce document sont des données «types» et ne doivent pas être considérées comme des données spécifiques à utiliser lors de la conception. Pour obtenir des données de conception, contactez un représentant autorisé de FVJR. Puisque toutes les conditions réelles d’utilisation du produit échappent à la connaissance et / ou au contrôle de FVJR, l’utilisateur du produit doit déterminer la pertinence de son application pour un usage ciblé, et assumer tous les risques et les responsabilités à cet égard. FVJR EXCLUT TOUTE GARANTIE, EXPLICITE OU IMPLICITE, Y COMPRIS LES GARANTIES DE COMMERCIALISATION ET D’ADAPTATION À UN USAGE PARTICULIER qui résulterait d’une mauvaise utilisation des informations contenues dans la présente brochure. Contacter un représentant autorisé de FVJR pour plus de détails. 2016  © FVJR Inc.