Plastiques Renforcés de Fibres : Avantages, Applications et Propriétés Clés

Aujourd'hui, l'utilisation des plastiques renforcés de fibres dans les produits et applications a considérablement augmenté en raison de leurs diverses propriétés. Ce sont des matériaux relativement nouveaux, non corrosifs, à haute résistance et légers. Le composant principal est un plastique contenant des fibres telles que le verre (dans la fibre de verre), le carbone (dans le polymère renforcé de fibres de carbone), l'aramide ou le basalte. D'autres fibres comme le papier, le bois ou l'amiante sont également utilisées mais sont moins courantes.

Les plastiques renforcés de fibres ou polymères (PRF) sont couramment utilisés dans les industries aérospatiale, automobile, marine et de la construction. Tout cela sera expliqué plus en détail dans cet article.

Aujourd'hui, nous allons examiner en profondeur la définition, les applications, les composants, les propriétés, les types, le processus de formage et les exigences matérielles des plastiques renforcés de fibres. Nous découvrirons également leurs avantages et inconvénients.

Que sont les plastiques renforcés de fibres ?

Les plastiques renforcés de fibres (PRF), aussi appelés polymères renforcés de fibres, sont classés comme des plastiques composites utilisant spécifiquement des matériaux fibreux pour augmenter mécaniquement l'élasticité et la résistance du plastique. Ils consistent en une matrice polymère, qui est le plastique d'origine (généralement résistant mais faible). Le matériau est mélangé à un matériau de renforcement pour obtenir un produit final avec les propriétés matérielles ou mécaniques souhaitées. Comprenons cela en détail !

Conventionnellement, un polymère est généralement formé par le processus de polymérisation ou de polymérisation par addition. Il peut être combiné avec divers agents pour améliorer ou augmenter ses propriétés matérielles, auquel cas on parle de plastiques. Les plastiques composites sont des types de plastiques résultant de deux ou plusieurs matériaux homogènes aux propriétés matérielles différentes pour obtenir un produit final avec certaines propriétés matérielles et mécaniques souhaitées. Un bon exemple de plastique composite est le plastique renforcé de fibres car des matériaux fibreux sont utilisés pour améliorer mécaniquement la résistance et l'élasticité des plastiques. Le polymère est généralement un ester de vinyle, un polyester thermodurcissable, un époxy, ou des résines phénol-formaldéhyde.

Applications des plastiques renforcés de fibres

Voici les applications des PRF dans divers domaines :

Industrie automobile

Le plastique renforcé de fibres est devenu le substitut du métal dans les carrosseries des automobiles de luxe modernes et les panneaux latéraux de camions et remorques. Cela s'explique par leur résistance quasi équivalente mais avec un poids différent ; de plus, un rapport résistance/poids élevé est le Saint Graal de l'industrie automobile. Les PRF ont des points de rupture plus élevés que l'acier et sont des matériaux solides, rigides et légers qui améliorent la consommation de carburant tout en augmentant la vitesse. Le matériau se moule facilement pour former les composants souhaités. L'utilisation de ce plastique composite est considérablement élevée dans ce domaine.

Un type de plastique renforcé de fibres, comme le PRF en verre, est utilisé pour les composants moteurs comme le collecteur d'admission. Cela réduit jusqu'à 60 % de son poids et rationalise la conception. Bien que les PRF en verre soient plus faibles et puissent se plier plus facilement que les PRF en carbone.

Biens de consommation

Aujourd'hui dans notre vie quotidienne, il est plus facile de manipuler des équipements, surtout pour les sportifs. C'est parce que le carbone et d'autres plastiques renforcés de fibres sont utilisés pour fabriquer des biens. Près de 6 % des PRF sont utilisés pour produire des biens de consommation. D'autres articles comme les instruments de musique ou leurs composants, les armes à feu, les tentes de camping et les trépieds d'appareil photo ont également bénéficié de ces matériaux.

Équipements de protection

Un matériau extrêmement résistant aux chocs et à la chaleur est produit lorsque des composés appelés aramides sont utilisés dans les PRF. Une résistance mécanique exceptionnelle est obtenue. C'est pourquoi c'est parfait pour fabriquer des gilets pare-balles et des combinaisons ignifuges, des véhicules et structures de protection contre les explosions.

Industrie de la construction

Le domaine de la construction utilise environ 20 % de plastique renforcé de fibres, y compris pour les ponts et les routes. L'application des PRF dans la construction peut être utilisée pour rénover des dalles, colonnes ou poutres de structures existantes. Cela améliore leur capacité de charge ou répare les dommages. Le plastique renforcé de fibres est extrêmement rentable et utile pour équiper des structures plus anciennes supportant des charges bien supérieures à celles pour lesquelles elles étaient conçues.

Les PRF sont également utilisés pour fabriquer des structures routières comme les panneaux de signalisation, les garde-corps, les systèmes de drainage et les tabliers de ponts. Les voies aériennes automatiques, les poteaux électriques et les pipelines de gaz, d'eau et d'égouts profitent également du matériau. Les PRF peuvent être parfaits pour construire des maisons préfabriquées, mais ils sont popularement utilisés pour le mobilier domestique et de bureau, les appareils électroménagers, les piscines, les gouttières, les équipements de salle de bain et les raccords de tuyaux et hottes.

Industrie de l'énergie

On s'attend à ce que la demande de PRF augmente de plus de 300 % dans les applications industrielles et énergétiques. Surtout dans les composants électroniques et électriques.

La plupart des PRF sont de bons isolants électriques, tolèrent les produits chimiques environnementaux rugueux, y compris les corrosifs, résistent à la dégradation due à la chaleur. Ils sont également relativement ininflammables, ont une bonne intégrité structurelle et peuvent même tolérer les rayonnements ultraviolets. Les PRF en verre sont non magnétiques et résistent aux étincelles, ce qui les rend utiles dans les composants électriques.

Enfin, les plastiques renforcés sont utilisés pour construire les pales d'éoliennes et les modules de stockage des réservoirs de gaz.

Applications aérospatiales

Les applications des PRF dans le domaine aérospatial augmentent en raison de coûts environnementaux plus faibles et de développements ultérieurs. Les fibres de carbone dans les PRF réduisent le poids de 25 % mais assurent une résistance égale ou supérieure par rapport aux tôles d'aluminium. Elles offrent une bonne résistance à la traction et peuvent tolérer des environnements difficiles et des températures extrêmement élevées. Bien qu'elles se dilatent peu sous l'effet de la chaleur et possèdent une grande rigidité.

L'application des PRF dans l'industrie aérospatiale est initialement coûteuse, mais permet d'économiser davantage d'argent car chaque gramme de poids supplémentaire est crucial en raison de son effet sur la consommation de carburant, la durée du voyage, les coûts, la sécurité aérodynamique, etc.

Avec les PRF en carbone, des pièces complexes peuvent être facilement moulées, réduisant le nombre de pièces de 95 %. Cela rend la production plus simple, moins chère et plus rapide comparé à d'autres matériaux comme l'acier ou l'aluminium moulé. Les avions géants modernes sont composés de plus de 50 % de PRF en carbone ; des pièces comme les pales de rotor d'hélicoptère sur les drones haut de gamme sont également de plus en plus fabriquées dans ce matériau.

Infrastructures marines

Le polymère renforcé de fibres est devenu le remplacement idéal du bois sur les navires ou dans les environnements riverains marins. Cela permet d'obtenir un poids structurel réduit et une résistance à la corrosion améliorée. D'autres applications incluent les chaussées flottantes et plates-formes pour bases maritimes et ponts roulants.

Composants des matériaux composites

Voici les composants qui composent le plastique renforcé de fibres :

Fibres :

Une fibre choisie contrôle généralement les propriétés des matériaux composites. Les trois principaux types de fibres utilisés dans la construction sont le carbone, le verre et l'aramide. Ils sont souvent nommés d'après la fibre de renforcement, par exemple PRFC pour Polymère Renforcé de Fibres de Carbone. Les propriétés les plus courantes et importantes qui différencient les types de fibres sont la déformation à la traction et la rigidité.

Matrices

La matrice peut transférer les forces entre les fibres et les protéger des effets néfastes. Les résines thermodurcissables sont presque exclusivement utilisées dans ce cas. Les matrices les plus courantes sont le vinylester et l'époxy. L'époxy est souvent privilégié au-dessus du vinylester mais est aussi plus coûteux. Les matrices époxy ont une durée de vie d'environ 30 minutes à 20 degrés Celsius mais peuvent être modifiées avec différentes formulations. Elles ont une bonne résistance, adhérence, propriétés de fluage et résistance chimique.

De plus, le matériau plastique d'origine sans renforcement de fibres est connu comme matrice ou agent liant. Cette matrice est un plastique résistant et relativement faible qui est renforcé par des filaments ou fibres de renforcement plus résistants et plus rigides. Le niveau de résistance et d'élasticité amélioré dans un plastique renforcé de fibres dépend des propriétés mécaniques de la matrice et de la fibre. Leur volume relatif l'un par rapport à l'autre, ainsi que la longueur et l'orientation des fibres dans la matrice sont également pris en compte. Le renforcement de la matrice se produit par définition lorsque le matériau PRF présente une résistance ou une élasticité accrue par rapport à la résistance et à l'élasticité de la matrice seule.

Propriétés courantes des plastiques renforcés de fibres

Comme mentionné précédemment, les caractéristiques des plastiques renforcés de fibres dépendent de facteurs tels que les propriétés mécaniques de la matrice et de la fibre, le volume des deux, leur longueur et l'orientation des fibres dans la matrice.

La raison pour laquelle les PRF sont largement considérés est leur faible poids mais une résistance incroyable, et une bonne résistance à la fatigue. Leurs propriétés de choc et de compression sont également une raison unique. C'est pourquoi les industries automobiles ont pu remplacer les métaux par des matériaux plus légers pour non seulement rendre les voitures plus solides mais aussi plus rapides et plus économes en carburant.

Les plastiques renforcés de fibres démontrent également des propriétés électriques distinctives et une résistance environnementale de haute qualité, ainsi qu'une bonne isolation thermique, une intégrité structurelle, une résistance au feu, une stabilité aux UV et une résistance aux produits chimiques et corrosifs. Tout cela a été mentionné ci-dessus.

Exigences matérielles ou fibres courantes

Voici les fibres utilisées pour obtenir un type spécifique de polymère renforcé :

Verre :

Le verre, qui agit comme un bon isolant, forme la fibre de verre ou les plastiques renforcés de verre lorsqu'il est combiné à la matrice. Les plastiques renforcés de verre sont bénéfiques pour l'industrie de l'énergie car ils n'ont pas de champ magnétique et résistent aux étincelles électriques. Ils sont intégrés dans les collecteurs d'admission moteurs où ils offrent une diminution de 60 % du poids par rapport aux collecteurs en aluminium moulé. Enfin, une qualité de surface améliorée et une aérodynamique sont obtenues pour ces matériaux.

Le PRF en verre a également été utilisé dans les pédales d'accélérateur et d'embrayage des voitures car ils peuvent être moulés en une seule unité. Les fibres sont orientées de manière à supporter des contraintes spécifiques, augmentant la durabilité et la sécurité. Cependant, ces matériaux renforcés ne sont pas aussi solides, rigides ou fragiles que les matériaux renforcés de fibres de carbone. Leur production peut être coûteuse.

Carbone

Les matériaux en fibres de carbone présentent une résistance à la traction élevée, une résistance chimique, une rigidité et une tolérance à la température. Les atomes de carbone créent des cristaux qui se trouvent le long de l'axe de la fibre, ce qui renforce les matériaux en augmentant le rapport résistance/volume. Comme expliqué précédemment, les plastiques renforcés de fibres de carbone sont utilisés dans les articles de sport, les planeurs, les cannes à pêche, etc.

Les PRFC ont été intégrés dans les gouvernes d'un Airbus A310, ce qui a permis de réduire le nombre de composants de 95 %. Les pièces moulées simples ont réduit les coûts de production et d'exploitation. Elles sont maintenant 25 % plus légères que celles produites en tôle d'aluminium, ce qui les rend plus économes en carburant.

Aramides

Les aramides sont classés comme des polyamides synthétiques formés à partir de monomères aromatiques (molécules en forme d'anneau). Ils démontrent une robuste résistance à la chaleur, c'est pourquoi ils sont utilisés pour les vêtements pare-balles et ignifuges.

Les aramides sont généralement préparés par la réaction entre un groupe amine et un groupe halogénure d'acide carboxylique (aramide). Cela se produit lorsque une polyamide aromatique est filée à partir d'une concentration liquide d'acide sulfurique en une fibre cristallisée. Les fibres sont ensuite filées en fils plus gros pour tisser en grosses cordes ou tissus. Les fibres d'aramide peuvent être fabriquées à des grades variables selon la résistance et la rigidité, afin que le matériau puisse répondre à des exigences de conception spécifiques, comme la coupe de matériaux durs pendant la fabrication.

Types de polymères renforcés de fibres (PRF)

Voici les principaux types de polymères renforcés de fibres :

Polymère renforcé de fibres de verre (PRFV)

Les fibres de verre sont fabriquées à partir de sable de silice, calcaire, acide folique et quelques autres ingrédients mineurs mélangés. Ce mélange est chauffé jusqu'à ce qu'il fonde à environ 1260 °C. Le verre fondu est laissé s'écouler à travers de fines trous dans une plaque de platine. Les brins de verre sont refroidis, rassemblés et enroulés. Les fibres peuvent ensuite être étirées pour augmenter leur résistance dimensionnelle. Elles sont ensuite tissées sous diverses formes pour être utilisées dans les composites.

Les fibres de verre produites sont considérées comme le renforcement prédominant pour les composites à matrice polymère, basées sur une composition aluminosilicate de chaux et de bore. Cela est dû à leurs propriétés d'isolation électrique élevées, leurs propriétés mécaniques élevées et leur faible susceptibilité.

Généralement, le verre est une fibre à bonne résistance aux chocs mais pèse plus que le carbone ou l'aramide. Les fibres de verre ont d'excellentes caractéristiques égales ou supérieures à l'acier sous certaines formes.

Polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC)

Dans un polymère ou plastique renforcé de fibres de carbone, un module d'élasticité élevé d'environ 200 à 800 GPa est certain. L'allongement extrême est de 0,3 à 2,5 % où l'allongement inférieur correspond à une rigidité plus élevée et vice versa.

Les fibres de carbone résistent à de nombreuses solutions chimiques et n'absorbent pas l'eau. Elles résistent également excellente à la fatigue et ne se corrodent ni ne montrent de fluage ou de relaxation.

Polymère renforcé de fibres d'aramide (PRFA)

L'aramide est également connu sous le nom de polyamide aromatique. Une marque déposée bien connue des fibres d'aramide est Kevlar, mais il existe d'autres produits comme Twaron, Technora et SVM. Le module des fibres varie de 70 à 200 GPa avec un allongement ultime de 1,5 à 5 % selon la qualité. L'aramide a une énergie de rupture élevée, c'est pourquoi il peut être utilisé pour les casques et les vêtements pare-balles.

Le PRFA est sensible aux températures élevées, à l'humidité et aux rayonnements UV et n'est pas courant dans les applications de génie civil. Enfin, les fibres d'aramide ont des problèmes de relaxation et de corrosion sous contrainte.

Procédé de formage des plastiques renforcés de fibres

La plupart des pièces en plastique renforcé de fibres sont fabriquées avec un moule ou un outil. Le moule utilisé peut être des moules femelles concaves, des moules mâles, ou la pièce peut être complètement enfermée avec un moule supérieur ou inférieur. Mais une structure rigide est généralement utilisée pour établir la forme des composants PRF. Les pièces peuvent être posées sur des surfaces planes appelées « plaque de calage » ou sur une structure cylindrique appelée « mandrin ».

Les procédés de moulage des plastiques renforcés de fibres sont accomplis en plaçant le préformé de fibre sur ou dans le moule. Ce préformé peut être de la fibre sèche ou de la fibre contenant déjà une quantité mesurée de résine appelée « préimprégné ». Les fibres sèches sont imprégnées de résine soit à la main, soit la résine est injectée dans un moule fermé. À ce stade, la pièce est polymérisée, laissant la matrice et les fibres exactement dans la forme du moule. Une autre façon de polymériser la résine et d'améliorer la qualité de la pièce finale est d'utiliser la chaleur et/ou la pression.

Regardez les vidéos ci-dessous pour en savoir plus sur le processus de formage des plastiques renforcés de fibres :

Voici les différentes méthodes de formage des plastiques renforcés de fibres :

Moulage par vessie :

Ce processus de formage consiste à superposer des feuilles individuelles de matériau préimprégné et à les placer dans un moule de style femelle avec une vessie semblable à un ballon. Le moule est ensuite fermé et placé dans une presse chauffée. Enfin, la vessie est pressurisée, forçant les couches de matériau contre les parois du moule.

Moulage par compression :

Une pièce moulée par compression est connue comme plastique renforcé de fibres. Ainsi, lorsqu'une matière première comme un bloc de plastique, un bloc de caoutchouc, une feuille de plastique ou des granulés est utilisée, on l'appelle ainsi. Le préformé plastique utilisé dans le moulage par compression ne contient pas de fibres de renforcement. Dans ce moulage, un préformé ou une charge de SMC ou BMC est placé dans la cavité du moule. Le moule est ensuite fermé et le matériau est formé et polymérisé à l'intérieur en utilisant la chaleur et la pression. Le moulage par compression est connu pour son excellent niveau de détail pour les formes géométriques allant des motifs et reliefs aux courbes complexes et formes créatives, jusqu'à l'ingénierie de précision.

Autoclave et sac sous vide :

Chaque feuille de matériau préimprégné est superposée et placée dans un moule ouvert, qui est ensuite recouvert d'un film de démoulage, d'un matériau d'évacuation ou de respiration, et d'un sac sous vide. Un vide est tiré sur la pièce et le moule est placé dans un autoclave, également appelé vessel à chaleur et pression. La pièce est polymérisée avec un vide continu pour extraire les gaz piégés du stratifié. Ce processus est courant dans l'industrie aérospatiale car il offre un contrôle précis du moulage grâce à un long cycle de polymérisation lent. La durée varie d'une à plusieurs heures. Ce contrôle précis permet de créer les formes géométriques exactes du stratifié nécessaires pour assurer la résistance et la sécurité dans l'industrie aérospatiale. Cependant, il est lent et intensif en main-d'œuvre, ce qui confine souvent son utilisation à l'industrie aérospatiale.

Enroulement sur mandrin :

Dans ce processus de formage de plastique renforcé de fibres, des feuilles de matériau préimprégné sont enroulées autour d'un mandrin en acier ou en aluminium. Ce matériau préimprégné est compacté par du ruban cello en polypropylène ou en nylon. Les pièces sont polymérisées par lots par ensachage sous vide et suspension dans un four. Après la polymérisation, le ruban cello et le mandrin sont retirés, laissant un tube de carbone creux. Cela permet de créer des tubes de carbone creux robustes et résistants.

Stratification humide :

Ce processus de formage combine le renforcement de fibres et la matrice lorsqu'ils sont placés sur l'outil de formage. Des couches de fibres de renforcement sont placées dans un moule ouvert, qui est ensuite saturé avec une résine humide en la versant sur le tissu et en la travaillant dans le tissu. Le moule sera laissé pendant un certain temps pour que la résine polymérise, généralement à température ambiante. Bien que la chaleur puisse parfois être utilisée pour s'assurer qu'elle est correctement polymérisée. Un sac sous vide est utilisé pour comprimer une stratification humide. Les fibres de verre sont les plus courantes pour ce processus, dont le résultat est connu sous le nom de fibre de verre. Il est utilisé pour fabriquer des produits comme des skis, des canoës, des planches de surf, etc.

Moulage par transfert de résine :

Ce processus de formage de plastique renforcé de fibres est aussi appelé infusion de résine. Les tissus sont posés dans un moule dans lequel de la résine humide est injectée. La résine est généralement pressurisée et forcée dans une cavité sous vide dans le moulage par transfert de résine. La résine est entièrement aspirée dans la cavité sous vide dans le moulage par transfert de résine assisté par vide. Ce processus assure une tolérance précise et un façonnage détaillé. Bien qu'il échoue parfois à saturer complètement le tissu, entraînant des zones non imprégnées dans la forme finale.

Enroulement filamentaire :

Dans ce processus, des machines tirent des faisceaux de fibres à travers un bain de résine humide et les enroulent sur un mandrin en acier rotatif dans des orientations spécifiques. Les pièces sont polymérisées soit à température ambiante, soit à température élevée. Le mandrin est extrait, laissant une forme géométrique finale, bien qu'il soit parfois laissé en place.

Pultrusion :

Des faisceaux de fibres et des tissus fendus sont tirés à travers un bain de résine humide qui forme alors la forme brute de la pièce. Le matériau saturé est extrudé d'une filière fermée chauffée, où il polymérise tout en étant continuellement tiré à travers la filière. La plupart des produits finis de pultrusion sont des formes structurelles, comme des poutres en I, des cornières, des profilés en U et des feuilles plates. Les matériaux peuvent être utilisés pour créer toutes sortes de structures en fibre de verre comme des échelles, des systèmes de garde-corps, des réservoirs, des plateformes, des tuyaux et des supports de pompes.

Pistolet hachoir :

Des brins continus de fibre de verre sont poussés à travers un pistolet manuel qui coupe les brins et les mélange avec une résine catalysée comme le polyester. Le verre haché imprégné est ensuite projeté sur la surface du moule avec l'épaisseur et le design que l'opérateur humain juge appropriés. Le processus au pistolet hachoir est idéal pour les grandes séries de production à coût économique, mais il produit des formes géométriques avec moins de résistance que les autres procédés de moulage et a une faible tolérance dimensionnelle.

Avantages et inconvénients des plastiques renforcés de fibres

Avantages :

Voici les avantages des plastiques renforcés de fibres dans leurs diverses applications :

• Les PRF ont une résistance élevée
• Ils ont un module d'élasticité élevé
• Ils sont plus légers
• Une haute résistance à la rupture par fatigue est un autre excellent avantage.
• Ils ont une bonne résistance à la corrosion.
• La rigidité est un autre grand avantage des PRF, jusqu'à 3,3 fois plus rigide que le bois et ne se déforme pas définitivement sous charge de travail.
• Résistance à la pourriture et aux insectes.
• Le produit final en plastique renforcé de fibres peut être esthétique, il n'a donc peut-être pas besoin de peinture, teinture et revêtements.
• Flexibilité dans leur processus de fabrication et de conception
• Les PRF sont de bons isolants avec une faible conductivité thermique.
• Les types de PRF en fibre de verre sont résilients, c'est-à-dire que le matériau a une finition dure.
• La maintenance et l'installation des PRF sont moins coûteuses, même si l'acier inoxydable a un coût initial de matériau inférieur au plastique renforcé de fibres.

Inconvénients :

Malgré les grands avantages du plastique renforcé de fibres, certaines limitations subsistent. Voici les inconvénients des PRF :

• Leur résistance dans une direction perpendiculaire aux fibres est extrêmement faible (jusqu'à 5 %) par rapport à la résistance le long de la longueur des fibres.
• La conception du matériau peut être complexe
• Les tests et la fabrication de composants PRF sont hautement spécialisés.

Conclusion

Dans cet article, vous avez appris sur les plastiques renforcés de fibres, leur définition, applications, composants composites et exigences matérielles. Nous avons également discuté des différents types, processus de formage, et avantages et inconvénients des plastiques renforcés de fibres.

J'espère que vous avez apprécié la lecture. Si c'est le cas, commentez votre section favorite de cet article. Et n'oubliez pas de partager cet article avec d'autres étudiants techniques, cela pourrait leur être utile. Merci !