Top 5 des plastiques résistants à la chaleur pour applications haute performance

Les fabricants ont tendance à utiliser des métaux comme le nickel et l'acier inoxydable pour les applications haute performance car ils sont très résistants à la chaleur. Les alliages à base de nickel, par exemple, conservent leur résistance dans des environnements à hautes températures, exposition thermique cyclique et hauts niveaux de carbone. Même si le métal tend à être plus résistant à la chaleur que le plastique, il existe de nombreux cas où les ingénieurs bénéficieraient d'utiliser des plastiques résistants à la chaleur pour leurs applications haute performance.

Les plastiques résistants à la chaleur se divisent en deux grandes catégories : thermodurcissables et thermoplastiques. Les thermodurcissables durcissent sous l'effet de la chaleur et ne peuvent être remodelés après polymérisation. Les thermoplastiques haute performance fondent quand chauffés, se solidifient en refroidissant, et peuvent être refondus après refroidissement. L'intégrité structurelle des thermoplastiques est affectée par des facteurs comme la température de transition vitreuse (Tg) et le point de fusion inhérents à chaque matériau. Il existe des thermoplastiques haute performance conservant leurs capacités structurelles au-dessus de 150 °C et à court terme au-dessus de 250 °C.

En plus d'être résistants à la chaleur, ces matériaux sont résistants aux produits chimiques, à la corrosion, et sont d'excellents isolants électriques et thermiques. Applications haute performance courantes : composants de pistons dans l'automobile, conduits de câbles dans l'aérospatial, connecteurs subsea dans les semi-conducteurs, etc. Lors de la conception de pièces en contact avec des températures extrêmes, les équipes produit devraient envisager ces cinq meilleurs plastiques résistants à la chaleur.

Top 5 des plastiques résistants à la chaleur

Les thermoplastiques tirent leur résistance à la chaleur de leur structure moléculaire. Lorsque des anneaux aromatiques rigides sont ajoutés à la résine au lieu de groupes aliphatiques, la chaîne moléculaire est restreinte et fortifiée de telle sorte que deux liaisons chimiques doivent être rompues pour briser la chaîne. Avec cette nouvelle structure, la résistance chimique et thermique d'un thermoplastique peut égaler ou surpasser celle d'un thermodurcissable.

Voici cinq plastiques qui supportent la chaleur.

1. Polyétherimide (PEI) — ULTEM®

ULTEM®, nom de marque du polyétherimide (PEI), est l'un des rares thermoplastiques amorphes commercialement disponibles. Il est résistant, chimiquement et au feu, et est un pilier de l'industrie depuis plus de 35 ans. ULTEM se distingue par la plus haute résistance diélectrique de tous les thermoplastiques haute performance.

Ce matériau a un point de fusion extrêmement élevé de 219 °C et une température de service continue maximale de 170 °C, le rendant idéal pour circuits imprimés, équipements de stérilisation alimentaire et, surtout, pièces aéronautiques. ULTEM est l'une des rares résines utilisables dans l'aérospatial commercial — il surpasse les autres thermoplastiques en résistance au fluage et tient bien face aux divers carburants et liquides de refroidissement. Cependant, il a tendance à se fissurer en présence de solvants chlorés polaires. On le trouve dans les bloqueurs de feu et housses de sièges d'avion.

ULTEM est assez cher comme beaucoup d'autres plastiques de cette liste. Il a aussi une résistance aux chocs et une température d'utilisation inférieures au PEEK.

Avantages de l'ULTEM :

• Meilleure résistance au fluage que les thermoplastiques
• Résiste aux carburants et liquides de refroidissement

Inconvénients de l'ULTEM :

• Tendance à fissurer en présence de solvants chlorés polaires
• Assez cher

2. Polyéther éther cétone (PEEK)

Le PEEK (polyéther éther cétone) est un thermoplastique d'ingénierie semi-cristallin haute performance résistant aux produits chimiques, à l'usure, à la fatigue, au fluage et à la chaleur. Ce matériau est si robuste et adaptable aux environnements sévères que les fabricants l'utilisent comme remplacement du métal dans de nombreuses applications, quelle que soit la température. Le PEEK supporte des températures jusqu'à 310 °C sur de courtes périodes et a un point de fusion supérieur à 371 °C. De plus, il a la plus haute résistance à la traction et à la flexion de tous les polymères haute performance.

Grâce à sa durabilité comparable au métal, le PEEK est largement utilisé pour divers dispositifs médicaux, composants actifs dans les transmissions automobiles, et pièces extérieures d'avions. Il a l'avantage supplémentaire d'être facile à usiner par moulage par injection ou extrusion, et le PEEK solide est compatible avec l'usinage CNC.

Ce thermoplastique populaire a quelques petits inconvénients, dont sa sensibilité à la lumière UV et à certains acides. Cependant, le PEEK reste un thermoplastique hautement polyvalent que tout ingénieur devrait avoir dans son répertoire.

Avantages du PEEK :

• Robuste et adaptable aux environnements sévères
• Plus haute résistance à la traction et à la flexion
• Facile à usiner par moulage par injection ou extrusion
• Compatible usinage CNC

Inconvénients du PEEK :

• Sensibilité à la lumière UV et à certains acides

3. Polytétrafluoroéthylène (PTFE)

Le PTFE, connu sous le nom de Teflon, est un plastique souple, résistant à la chaleur, à faible frottement, avec une résistance chimique exceptionnelle. Il a une haute résistance à la flexion, une résistance aux intempéries adéquate, et un bon pouvoir isolant électrique dans les environnements chauds et humides.

Le PTFE est unique car il est presque complètement chimiquement inerte et hautement insoluble dans la plupart des solvants, le rendant idéal pour applications haute température. Il a l'un des points de fusion les plus élevés de tous les thermoplastiques à 327 °C, et une plage de température de fonctionnement très large. Il est thermiquement stable pour être utilisé entre -200 °C et +260 °C.

Le PTFE est surtout connu pour ses applications commerciales. Il protège aussi les tuyaux des matériaux corrosifs, revêt les échangeurs de chaleur, et isole les composants électriques.

Le PTFE excelle aux températures extrêmes, mais ses propriétés mécaniques sont généralement inférieures aux plastiques comparables à température ambiante. Il est sensible au fluage, à l'abrasion et aux radiations, et ses fumées peuvent être toxiques. Notons aussi que le PTFE est assez cher à traiter.

Avantages du PTFE :

• Haute résistance à la flexion
• Résistance aux intempéries adéquate
• Bon pouvoir isolant électrique dans environnements chauds et humides

Inconvénients du PTFE :

• Inférieur aux plastiques comparables à température ambiante
• Sensible au fluage, à l'abrasion et aux radiations
• Fumées peuvent être toxiques
• Assez cher à traiter

4. Polybenzimidazole (PBI)

Le polybenzimidazole (PBI) a la plus haute résistance à la chaleur et à l'usure, la plus haute résistance et stabilité des propriétés mécaniques de tous les thermoplastiques d'ingénierie du marché. Les fibres de PBI n'ont pas de point de fusion connu, ne brûlent pas et ne collent pas aux autres plastiques. Ce matériau a une température de service continue maximale de 398 °C en environnement inerte, 343 °C dans l'air, et un potentiel d'exposition à court terme jusqu'à 537 °C.

Malgré toutes ses forces, le PBI est incroyablement cher et difficile à fabriquer. Les ingénieurs doivent souvent utiliser des outils diamant pour l'usiner, ce qui fait grimper les coûts. D'un point de vue design, un inconvénient majeur est sa sensibilité aux entailles. Les concepteurs doivent éviter tout bord ou angle vif et lisser toutes les finitions de surface.

Avantages du PBI :

• Haute stabilité
• Résistance à la chaleur extrême — la plus haute de tous les thermoplastiques actuels
• Fibres sans point de fusion — ne brûlent pas, ne collent pas aux autres plastiques

Inconvénients du PBI :

• Cher et difficile à fabriquer
• Haute sensibilité aux entailles

5. Polydicyclopentadiène (pDCPD)

Le polydicyclopentadiène (pDCPD) est un polymère thermodurcissable conçu sur mesure pour offrir une excellente combinaison de résistance chimique, à la corrosion et à la chaleur, plus rigidité et résistance aux chocs. Ce matériau allie la flexibilité de moulage d'un thermodurcissable aux caractéristiques haute performance des meilleurs thermoplastiques d'ingénierie. Sa température de fléchissement sous charge atteint 120 °C.

Le pDCPD est unique car il n'a pratiquement aucune limitation de taille ou poids de pièce — pièces à épaisseurs de paroi variables, nervures de raidissement moulées, etc. ne ralentissent pas la production. Le pDCPD est un matériau relativement nouveau et ses applications sont limitées pour l'instant, mais il a montré des promesses dans les équipements de procédés chimiques résistants à la corrosion, fosses septiques, et équipements de traitement de l'eau.

Avantages du pDCPD :

• Combine résistance chimique, corrosion et chaleur
• Aucune limitation de taille ou poids de pièce — ne ralentit pas la production
• Allie flexibilité de moulage et haute performance

Inconvénients du pDCPD :

• Nouveau matériau : applications limitées

Les fabricants peuvent-ils améliorer la résistance à la chaleur ?

Les ingénieurs et fabricants peuvent augmenter la performance de la plupart des plastiques en utilisant des additifs et/ou stabilisants thermiques. Les trois types d'additifs les plus courants sont antioxydants, retardateurs de flamme et agents de traitement. Chacun apporte une caractéristique différente et contribue à la durabilité du polymère.

Les stabilisants thermiques protègent le polymère des dommages thermiques pendant la fabrication ou l'utilisation normale de la pièce finale, et sont ajoutés à la majorité des polymères aujourd'hui. Ils peuvent aussi préserver l'apparence, la résistance et l'élasticité du polymère.

Choisissez un fabricant expert pour aider à la sélection des matériaux

Pour applications haute température, n'importe lequel de ces plastiques haute performance peut vraiment encaisser la chaleur. Mais n'importe quel matériau ne fera pas l'affaire. Les ingénieurs doivent faire leurs recherches pour choisir le plastique résistant à la chaleur le mieux adapté à leur application particulière. Choisir le mauvais matériau risque de compromettre la fonctionnalité de la pièce et d'obliger à recommencer à zéro.

Un partenaire de fabrication expérimenté comme Fast Radius peut rendre la sélection des matériaux sans stress grâce à nos services de conseil d'ingénierie experts. Nous aidons toute équipe produit à choisir le bon matériau pour leur pièce et leurs exigences uniques.

Au-delà de la sélection, notre équipe d'ingénieurs et designers chevronnés est prête à rationaliser le développement produit et livrer des pièces de qualité supérieure à des tarifs abordables et des délais éclair — pour que chaque client soit assuré d'obtenir le meilleur produit au meilleur prix. Contactez-nous pour un devis.

Pour plus de guides matériaux et informations sur la fabrication avec les plastiques, consultez le centre de ressources Fast Radius.

Prêt à fabriquer vos pièces avec Fast Radius ?

Demandez votre devis