Comprendre le plastique renforcé de fibres

Aujourd'hui, l'utilisation de plastiques renforcés de fibres dans les produits et les applications est considérablement élevée en raison de leurs diverses propriétés. Il s'agit d'une classe relativement nouvelle de matériaux non corrosifs, à haute résistance et légers. le composant principal est du plastique qui contient des fibres telles que le verre (en fibre de verre), le carbone (en 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 ne sont pas courantes.

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

Aujourd'hui, nous allons approfondir la définition, les applications, les composants, les propriétés, les types, le processus de formage et les exigences matérielles des plastiques renforcés de fibres. Nous apprendrons également à connaître leurs avantages et leurs inconvénients.

Que sont les plastiques renforcés de fibres ?

Les plastiques renforcés de fibres (FRP), également 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 sont constitués d'une matrice polymère, qui est le plastique d'origine (généralement résistant mais faible). Le matériau est mélangé avec un matériau de renforcement pour donner un produit final avec le matériau ou les propriétés mécaniques souhaités. Comprenons cela en détail !

Classiquement, un polymère est généralement formé par le procédé de polymérisation ou de polymérisation par addition. Il peut être combiné avec un agent divers pour améliorer ou augmenter ses propriétés matérielles, qu'il peut alors appeler plastiques. Les plastiques composites sont des types de plastiques qui résultent de deux matériaux homogènes ou plus avec des 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 les matériaux fibreux sont utilisés pour améliorer mécaniquement la résistance et l'élasticité des plastiques. Le polymère est généralement un ester vinylique, ou un plastique thermodurcissable polyester, des résines époxy, phénol-formaldéhyde également utilisées.

Applications d'un plastique renforcé de fibres

Vous trouverez ci-dessous les applications du FRP dans divers domaines.

Industrie automobile

Le plastique renforcé de fibres est devenu la substitution du métal dans les carrosseries des automobiles de luxe modernes et des revêtements de carrosserie de camions et de remorques. En effet, ils ont presque la même résistance mais un poids différent. De plus, un rapport résistance / poids élevé est le Saint Graal de l'industrie automobile. Les FRP 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 est facilement moulé pour former les composants souhaités. L'utilisation de ce plastique composite est extrêmement élevée dans ce domaine.

Un type de plastique renforcé de fibres, tel que les PRF de verre, est utilisé pour les composants du moteur comme le collecteur d'admission. Cela réduit jusqu'à 60% de son poids et rationalise la conception. Cependant, les FRP en verre sont plus faibles et peuvent être facilement pliés par rapport aux FRP en carbone.

Biens de consommation

Aujourd'hui dans notre quotidien, il est plus facile de peser du matériel, surtout pour les sportifs. En effet, le carbone et d'autres plastiques renforcés de fibres sont utilisés pour fabriquer des produits. 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 pour appareils photo ont également bénéficié de ces matériaux.

Équipement de protection

Un matériau extrêmement résistant à la chaleur et aux chocs est produit lorsque des composés connus sous le nom d'aramides sont utilisés dans les FRP. Une résistance mécanique exceptionnelle est obtenue lors de l'utilisation. C'est pourquoi il est parfait pour fabriquer des combinaisons pare-balles et ignifuges, des véhicules de protection contre les explosions et des structures.

Industrie de la construction

Le domaine de la construction a prélevé environ 20% du plastique renforcé de fibres notamment pour les ponts et les routes. L'application de PRF dans la construction peut être utilisée pour moderniser des dalles, des colonnes ou des poutres de structures existantes. Cela améliore leur capacité de charge ou répare les dommages. Le plastique renforcé de fibres est extrêmement rentable et utile lorsqu'il s'agit d'équiper des structures plus anciennes qui supportent des charges bien supérieures à celles pour lesquelles elles ont été conçues.

Les FRP sont également utilisés pour fabriquer des structures routières telles que des panneaux de signalisation, des garde-corps, des systèmes de drainage et des tabliers de pont. Les passerelles automobiles, les poteaux électriques et les canalisations de gaz, d'eau et d'égouts tirent également parti du matériau. Les FRP peuvent être parfaits pour la construction de maisons préfabriquées, mais ils sont couramment utilisés pour les meubles de bureau domestiques et commerciaux, les appareils électroménagers, les piscines, les gouttières, les équipements de salle de bain, les raccords de tuyauterie et les hottes.

Industrie de l'énergie

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

La plupart des FRP sont de bons isolants électriques, tolèrent les produits chimiques environnementaux robustes, y compris les produits corrosifs, peuvent résister à la dégradation due à la chaleur. De plus, ils sont relativement ininflammables, ont une bonne intégrité structurelle et peuvent même tolérer les rayons ultraviolets. Les verres-FRP ne sont pas magnétiques et peuvent également résister aux étincelles, ce qui les rend utiles dans les composants de puissance.

Enfin, les plastiques renforcés sont utilisés pour la construction des pales des éoliennes et pour les modules de stockage des réservoirs de gaz.

Applications aérospatiales

Les applications des PRF dans le domaine aérospatial augmentent en raison de la baisse des coûts environnementaux et de la poursuite du développement. Les fibres de carbone dans les FRP réduisent le poids de 25 % mais garantissent une résistance égale ou supérieure par rapport aux feuilles d'aluminium. Ils offrent une bonne résistance à la traction et peuvent tolérer des environnements difficiles et des températures extrêmement élevées. Cependant, ils se dilatent peu avec la chaleur et possèdent une grande rigidité.

L'application des FRP dans l'industrie aérospatiale est initialement coûteuse, mais permet néanmoins d'économiser plus d'argent puisque chaque gramme de poids supplémentaire est réclamé en raison de l'effet sur la consommation de carburant, la durée et les coûts du trajet, la sécurité aérodynamique, etc.

Avec les FRP-carbone, les pièces complexes peuvent être facilement moulées, ce qui réduit le nombre de pièces d'un incroyable 95 %. Cela rend la production plus simple, moins chère et plus rapide par rapport à d'autres matériaux comme l'acier ou la fonte d'aluminium. Les avions géants modernes sont fabriqués à plus de 50 % de carbone-FRP, des pièces comme les pales de rotor d'hélicoptère sur les drones haut de gamme sont également de plus en plus fabriquées avec ce matériau.

Infrastructures maritimes

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

Composants de matériaux composites

Vous trouverez ci-dessous les composants qui composent le plastique renforcé de fibres.

Fibre :

Une fibre choisie contrôle généralement les propriétés des matériaux composites. Les trois principaux types de fibres utilisées dans la construction sont le carbone, le verre et l'aramide. Il est souvent nommé par la fibre de renforcement, par exemple, CFRP pour Carbon fiber Reinforced Polymer. Les propriétés les plus courantes et les plus importantes qui différencient les types de fibres sont la résistance à la traction et la rigidité.

Matrices

La matrice peut transférer des forces entre les fibres et les protégera des effets néfastes. Les résines thermodurcissables sont presque exclusivement utilisées dans cette situation. Les matrices les plus courantes sont le vinylester et l'époxy. Bien. L'époxy est souvent préféré au vinylester mais est également plus coûteux. Les matrices époxy ont une durée de vie en pot d'environ 30 minutes à 20 degrés Celsius mais peuvent être modifiées avec différentes formulations. Il a une bonne résistance, une bonne adhérence, des propriétés de fluage et une résistance chimique.

Fig. 2 :Fibre Plus Matrix produit du FRP

De plus, la matière plastique d'origine sans renfort fibreux est appelée matrice ou liant. Cette matrice est un plastique résistant et également relativement faible qui est renforcé par des filaments ou des fibres de renforcement plus rigides et plus solides. Le niveau de résistance et d'élasticité qui est amélioré dans un plastique renforcé de fibres dépend des propriétés mécaniques de la matrice et de la fibre. Leur volume les uns par rapport aux autres, 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 FRP présente une résistance ou une élasticité accrue par rapport à la résistance et à l'élasticité de la matrice seule.

Propriétés communes 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 et leur longueur, et l'orientation des fibres dans la matrice.

La raison pour laquelle les FRP sont largement pris en compte est leur faible poids, mais ils sont incroyablement solides et ont une bonne fatigue. De plus, ses impacts et ses propriétés de compression sont 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 économes en carburant.

Les plastiques renforcés de fibres présentent également des propriétés électriques distinctives et une résistance environnementale de haut niveau, ainsi qu'une bonne isolation thermique, une intégrité structurelle, une résistance au feu, une stabilité aux rayons UV et une résistance aux produits chimiques et corrosifs. Eh bien, tout cela a été mentionné ci-dessus.

Exigences matérielles ou matériaux de fibres courants

Vous trouverez ci-dessous les fibres utilisées pour obtenir un type spécifique de polymère renforcé.

Verre :

le verre qui agit comme un bon isolant forme de la fibre de verre ou des plastiques renforcés de verre lorsqu'il est combiné avec la matrice. Les plastiques renforcés de verre sont bénéfiques pour l'industrie électrique car ils n'ont pas de champ magnétique et résistent aux étincelles électriques. Ils sont incorporés dans les collecteurs d'admission du moteur où ils offrent une réduction de poids de 60 % par rapport aux collecteurs en fonte d'aluminium. Enfin, une qualité de surface et un aérodynamisme améliorés sont obtenus pour ces matériaux.

Le verre FRP 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, ce qui augmente la durabilité et la sécurité. Cependant, ces matériaux renforcés ne sont pas solides, rigides ou cassants comme les matériaux renforcés de fibres de carbone. Cela peut être coûteux à produire.

Carbone

Les matériaux en fibres de carbone présentent une résistance à la traction, une résistance chimique, une rigidité et une tolérance à la température élevées. Les atomes de carbone créent des cristaux qui se trouvent le long de l'axe de la fibre, ce qui aide à renforcer 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.

Des FRP en carbone ont été intégrés dans les gouvernes de direction d'un Airbus A310, ce qui a permis de réduire de 95 % le nombre de ses composants. Les pièces moulées simples ont réduit le coût de production et les coûts opérationnels. Ils sont désormais 25 % plus légers que ceux produits avec de la tôle d'aluminium, ce qui les rend plus économes en carburant.

Aramides 

Les aramides sont classés comme des polyamides synthétiques formés de monomères aromatiques (molécules en forme d'anneaux). Cela démontre une résistance à la chaleur robuste, c'est pourquoi ils sont utilisés pour les vêtements pare-balles et résistants au feu.

Les aramides sont généralement préparés par réaction entre un groupe amine et un groupe halogénure d'acide carboxylique (aramide). Cela existe lorsqu'un polyamide aromatique est filé à partir d'une concentration liquide d'acide sulfurique dans une fibre cristallisée. Les fibres sont ensuite filées en fils plus gros pour tisser de grandes cordes ou des tissus tissés. Les fibres d'aramide peuvent être fabriquées à différentes qualités en fonction de leur résistance et de leur rigidité, de sorte que le matériau puisse répondre à des exigences de conception spécifiques, telles que la découpe du matériau résistant pendant la fabrication.

Types de polymères renforcés de fibres (FRP)

Vous trouverez ci-dessous les principaux types de polymères renforcés de fibres.

Polymère renforcé de fibre de verre (GFRP)

Les fibres de verre sont fabriquées à partir de sable de silice, de calcaire, d'acide folique et de quelques autres ingrédients mineurs mélangés. Ce mélange est chauffé jusqu'à ce qu'il fonde à environ 1260 ⁰ C. Le verre fondu est autorisé à s'écouler à travers des trous fins 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. Il est ensuite tissé sous diverses formes pour être utilisé dans les composites.

Les fibres de verre sont considérées comme le renfort prédominant des composites à matrice polymère, à base d'une composition borosilicate de chaux d'aluminium. Cela est dû à leurs propriétés d'isolation électrique élevées, à leurs propriétés mécaniques élevées et à leur faible sensibilité.

Généralement, le verre est une bonne fibre résistante 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.

Barres en polymère renforcé de fibre de verre

Polymère renforcé de fibre de carbone (CFRP)

Dans un polymère ou un 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 le plus faible correspond à la rigidité la plus élevée et vice versa.

Les fibres de carbone résistent à de nombreuses solutions chimiques et n'absorbent pas l'eau. Ils peuvent également très bien résister à la fatigue et ne se corrodent pas, ne présentent aucun fluage ou relâchement.

Barres en polymère renforcé de fibre de carbone

Polymère renforcé de fibres d'aramide (AFRP)

L'aramide est également connu sous le nom de polyamide aromatique. Une marque bien connue de fibres aramides s'appelle 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.

L'AFRP est sensible aux températures élevées, à l'humidité et aux rayons UV et n'est pas courant dans les applications de génie civil. Enfin, les fibres aramides ont des problèmes de relaxation et de corrosion sous contrainte.

Propriétés de différents types de FRP par rapport à l'acier

Le processus de formage du plastique renforcé 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 fermée par un moule supérieur ou inférieur. Mais une structure rigide est généralement utilisée pour établir la forme des composants en PRF. les pièces peuvent être posées soit sur des surfaces planes appelées "caul plate" soit sur une structure cylindrique appelée "mandrin".

Les processus de moulage des plastiques renforcés de fibres sont accomplis en plaçant la préforme fibreuse sur ou dans le moule. Cette préforme fibreuse peut être une fibre sèche ou une fibre contenant déjà une quantité dosée de résine appelée « préimprégné ». Les fibres sèches sont humectées de résine soit à la main, soit la résine est injectée dans un moule fermé. À ce stade, la pièce est durcie, laissant la matrice et les fibres exactement comme la forme du moule. Une autre façon de durcir la résine et d'améliorer la qualité de la pièce finale consiste à utiliser de la chaleur et/ou de la pression.

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

Vous trouverez ci-dessous les différentes méthodes de formation de plastique renforcé de fibres.

Moulage de la vessie :

Ce processus de formation se produit lorsque des feuilles individuelles de matériau préimprégné sont disposées et placées dans un moule de style femelle avec une vessie en forme de ballon. Le moule sera ensuite fermé et placé dans une presse chauffée. Enfin, la vessie est pressurisée forçant la couche de matériau contre les parois du moule.

Moulage par compression :

Une pièce moulée par compression est connue sous le nom de 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, on l'appelle ainsi. La préforme plastique utilisée dans le moulage par compression ne contient pas de fibres de renforcement. Dans ce moulage, une préforme ou charge de SMC ou BMC est placée dans la cavité du moule. Le moule est ensuite fermé et le matériau est formé et durci à l'intérieur en utilisant la chaleur et la pression. le moulage par compression est connu pour ses excellents détails pour les formes géométriques allant des détails de motifs et de relief aux courbes complexes et aux formes créatives, en passant par l'ingénierie de précision.

Autoclave et sac sous vide :

Chaque feuille de matériau préimprégné est posée et placée dans un moule ouvert, qui est ensuite recouvert d'un film anti-adhésif, d'un matériau de purge ou de respiration et d'un sac sous vide. Un vide est appliqué sur la pièce et le moule est placé dans un autoclave, également appelé récipient à pression thermique. La pièce est durcie 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 cycle de durcissement long et lent. Le temps varie d'une à plusieurs heures. Ce contrôle précis aide à créer les formes géométriques de stratifié exactes nécessaires pour assurer la résistance et la sécurité dans l'industrie aérospatiale. Cependant, il est lent et demande beaucoup de main-d'œuvre, c'est-à-dire que son coût le limite souvent à l'industrie aérospatiale.

Emballage du 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 cellophane en polypropylène ou en nylon. Les pièces sont durcies par lots par ensachage sous vide et suspendues dans un four. Après avoir effectué le durcissement, la bande de cellophane et le mandrin sont retirés en laissant une bande de carbone creuse. Cela aide à créer des tubes de carbone creux solides et robustes.

Couche humide :

Ce procédé de formage associe le renfort fibreux et la matrice au fur et à mesure de leur mise en place sur l'outil de formage. Les couches de fibres de renforcement sont placées dans un moule ouvert, qui est ensuite saturé d'une résine humide en la versant sur le tissu et en la travaillant dans le tissu. Le moule sera laissé pendant un certain temps afin que la résine durcisse, généralement à température ambiante. Bien que la chaleur puisse parfois être utilisée pour s'assurer qu'il est correctement durci. Un sac sous vide est utilisé pour comprimer une couche 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 du plastique renforcé de fibres est également appelé infusion de résine. Les tissus sont déposés dans un moule dans lequel de la résine humide est 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 dans le moulage par transfert de résine assisté par vide. Ce processus assure une tolérance précise et une mise en forme détaillée. Bien qu'il ne parvienne parfois pas à saturer complètement le tissu, ce qui entraîne des taches dans la forme finale.

Enroulement filamentaire :

Dans ce processus, il existe des machines qui 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 des températures élevées. Le mandrin est extrait, laissant une forme géométrique finale, bien qu'il soit laissé dans certaines situations.

Pultrusion :

Les faisceaux de fibres et les tissus fendus sont tirés à travers un bain humide de résine qui a ensuite formé la forme de la pièce rugueuse. Le matériau saturé est extrudé à partir d'une filière fermée chauffée, qui est durcie tout en étant tirée en continu à travers la filière. La plupart des produits finaux de la pultrusion sont des formes structurelles, c'est-à-dire une poutre en I, un angle, un canal et une feuille plate. Les matériaux peuvent être utilisés pour créer toutes sortes de structures en fibre de verre comme des échelles, des réservoirs de systèmes de main courante, des plates-formes, des tuyaux et des supports de pompe.

Pistolet chopper :

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

Avantages et inconvénients du plastique renforcé de fibres

Avantages :

Vous trouverez ci-dessous les avantages des plastiques renforcés de fibres dans leurs diverses applications.

• Les FRP ont une résistance élevée
• Ils ont un module d'élasticité élevé
• Ils sont plus légers
• La 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 FRP, car ils sont jusqu'à 3,3 fois plus rigides que le bois et ne se déforment pas de manière permanente sous la charge de travail.
• Résistance à la pourriture et aux insectes.
• Le produit final en plastique renforcé de fibres peut être attrayant et ne nécessitera peut-être pas de peinture, de teinture ni de revêtement.
• Flexibilité dans leur processus de fabrication et de conception
• Les FRP sont de bons isolants à faible conductivité thermique.
• Les types de FRP 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 moindres, même si l'acier inoxydable a un coût de matériau initial inférieur à celui du plastique renforcé de fibres.

Inconvénients :

Malgré les grands avantages du plastique renforcé de fibres, certaines limites subsistent. Voici les inconvénients des FRP.

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

Conclusion

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

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