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Fibres pour composites Cours 4-6 Pourquoi les fibres? Les fibres naturelles te

Fibres pour composites Cours 4-6 Pourquoi les fibres? Les fibres naturelles telles que le coton et la laine font partie des matériaux les plus anciens. Ces fibres ont été utilisées par les premiers hommes lorsque la résistance et la légèreté étaient essentielles. Cependant, ce n'est qu'au cours des 50 dernières années, avec le développement de techniques analytiques telles que la diffraction des rayons X, que la raison des propriétés inhabituelles des matériaux sous forme de fibres a été comprise. Les scientifiques savent maintenant que les molécules des fibres ont tendance à s'aligner le long de l'axe des fibres. Cet alignement préféré rend la résistance et le module (rigidité) à la fois des fibres naturelles et des fibres synthétiques supérieurs au même matériau sous une forme en vrac orientée de manière aléatoire. A titre d'exemple, le tableau 1 montre la résistance et le module d'un polymère typique sous diverses formes. Chimiquement, tous ces matériaux sont identiques, ne différant que par l'orientation et la structure du polymère solide. Lorsque les polymères naturels et synthétiques sont extrudés et / ou étirés sous forme de fibres, les processus d'extrusion et d'extension orientent la structure le long de l'axe de la fibre. Il en résulte une résistance élevée et une rigidité accrue pour la même raison qu'une masse orientée de cordes (une corde) est plus forte et plus rigide que la même masse de cordes sans orientation. Pourquoi les fibres? Forme Résistance à la traction(GPa) Module d'élasticité(GPa) Orientation Moulé par injection 0.08 2.5 Fibre de qualité textile 0.43 2.5 Fibre de qualité industrielle 0.92 4.5 Kevlar®† 3.50 186.0 Alors que la résistance d'une plaque de polyamide moulée par injection n'est que de 0,08 GPa, la résistance à la traction du même polymère est plus de cinq fois supérieure lorsqu'il est extrudé en une fibre de qualité textile. Si cette même fibre de qualité textile est étirée dans un processus d'étirage extensif, une fibre de câble de pneu de qualité industrielle peut être produite qui est 10 fois plus résistante et presque deux fois plus rigide que le polymère moulé par injection. Pourquoi les fibres? Les matériaux fragiles, comme le carbone, ont également une résistance et une rigidité plus élevées lorsqu'ils sont formés en fibres. Des fibres de carbone haute performance formées à partir de brai sont maintenant disponibles dans le commerce avec une résistance à la traction de 3,9 GPa. Ceci est environ 1000 fois supérieur à la résistance du carbone non orienté sous forme en vrac. Dans le cas de matériaux cassants, la résistance supérieure des fibres est due à deux facteurs. Premièrement, comme les fibres polymères, la structure moléculaire et l'orientation sont améliorées par le processus de formation des fibres. Deuxièmement, comme la défaillance des objets cassants est dominée par des défauts, la petite taille des fibres limite la taille des défauts qui peuvent exister. Ainsi, en plus de former une structure plus parfaite, les matériaux cassants sous forme de fibres contiennent des défauts plus petits, améliorant encore la résistance à la traction. Pourquoi les fibres? Aujourd'hui, de nombreux types de fibres haute performance sont disponibles dans le commerce. Ces fibres vont des fibres polymères, telles que l'aramide et le polyéthylène à chaîne étendue, aux fibres de carbone, aux fibres de bore et aux fibres céramiques telles que le carbure de silicium et l'alumine. Lorsqu'une charge est appliquée parallèlement à l'axe des fibres, toutes ces fibres sont beaucoup plus résistantes et plus rigides (par masse donnée d'un matériau) que les métaux traditionnels tels que l'acier ou l'aluminium. Cependant, chacune de ces fibres hautes performances présente certains avantages supplémentaires. Par exemple, dans des environnements sans oxygène, les fibres de carbone peuvent conserver leur résistance à des températures extrêmement élevées. Les fibres polymères sont beaucoup plus légères que les fibres de carbone et de céramique et transparentes au radar. Les fibres céramiques, en revanche, résistent à l'oxydation mais perdent de leur résistance à des températures élevées. Pourquoi les fibres? La résistance spécifique est la résistance d'un matériau (force par unité de surface à la rupture) divisée par sa densité. Il est également connu sous le nom de rapport résistance / poids. Dans les applications de fibre ou de textile, la ténacité est la mesure habituelle de la résistance spécifique. L'unité SI pour la résistance spécifique est (N/m2)/(kg /m3) ou plus communément N · m / kg. Une autre façon de décrire la résistance spécifique est la longueur de rupture, également connue sous le nom de longueur d'auto- support: la longueur maximale d'une colonne verticale du matériau (en supposant une section transversale fixe) qui pourrait suspendre son propre poids lorsqu'il est soutenu uniquement par le haut. Pour cette mesure, la définition du poids est la force de gravité à la surface de la Terre s'appliquant à toute la longueur du matériau, ne diminuant pas avec la hauteur. Pourquoi les fibres? Puisque les fibres de renforcement peuvent être orientées pendant la fabrication d'un article, les composites peuvent être adaptés pour répondre aux demandes de charge accrues dans des directions spécifiques. Le système combiné fibre-matrice est un matériau conçu pour maximiser les performances mécaniques et environnementales. En dispersant des fibres ou des particules d'un matériau dans une matrice d'un autre matériau, le concepteur d'aujourd'hui peut obtenir des propriétés structurelles qu'aucun matériau ne présente à lui seul. Par exemple, un alliage métallique sélectionné pour sa résistance aux températures élevées mais ayant une faible résistance au fluage à la température d'utilisation peut être renforcé avec des fibres d'oxyde inorganique pour fournir une résistance au fluage améliorée et être toujours stable à des températures élevées. Une matrice céramique, fragile et sensible aux chocs ou aux fractures induites par des contraintes thermiques, peut être renforcée avec des fibres céramiques pour augmenter sa résistance à la propagation des fissures, offrant une plus grande ténacité et protégeant contre une défaillance catastrophique. L'ajout de fibres de renforcement pour fournir des propriétés mécaniques égales à un poids considérablement réduit est souvent une raison importante pour le choix des composites par rapport aux matériaux de structure traditionnels. Fibres? Malheureusement, l'augmentation de la résistance à la traction des fibres n'est pas sans pénalité. Les fibres, comme la corde, affichent cette résistance accrue uniquement lorsque la charge est appliquée parallèlement à l'axe de la fibre. Même si la résistance à la traction parallèle à l'axe de la fibre augmente à mesure que l'orientation et la structure deviennent plus parfaites dans la direction de la fibre, cette même augmentation entraîne une diminution de la résistance perpendiculaire à l'axe de la fibre. Par exemple, la résistance d'une fibre de carbone perpendiculaire à l'axe de la fibre est 10 fois inférieure à la résistance parallèle à l'axe. De plus, à mesure que l'orientation d'une fibre augmente, elle devient souvent cassante, ce qui la rend plus susceptible d'être endommagée par abrasion. Ainsi, pour profiter de la résistance élevée des matériaux fibreux dans une structure, les fibres doivent être orientées dans le sens de la charge appliquée et séparées pour éviter les dommages par abrasion. CLASSIFICATION DES FIBRES Une large gamme de matériaux peut être utilisée comme fibres dans les composites, mais les plus importants sont: l'amiante, l'acier, le verre, le bore, le carbone, le SiC et les polymères organiques.  Les fibres sont classées selon les critères suivants:  1) La nature des fibres chimiques a) Fibres inorganiques: • Naturel: amiante • artificiel: acier, verre, carbone, laine minérale b) Fibres organiques: • naturelles: coton, lin, bambou, sisal et noix de coco • artificielles: résines polyéthylène, polypropylène, polyester et polyamide CLASSIFICATION DES FIBRES 2) Les caractéristiques mécaniques des fibres Les fibres actuellement utilisées sont classées selon le module d'élasticité de la fibre, Ef, la résistance à la traction de la fibre (Rt)f et l'allongement à la rupture de la fibre (Af): a) des fibres à faible module et à allongement élevé Par exemple, le polypropylène, le polyéthylène, le nylon, qui présente une absorption d'énergie élevée, mais qui ne conduisent pas à une amélioration de la résistance, mais améliorent la résistance aux d'impact et explosion. b) des fibres à haut module et à haute résistance Par exemple: l'acier, le verre, l'amiante et les matériaux composites de carbone ont une excellente résistance, car les fibres transmettent leurs caractéristiques de résistance et de rigidité au matériau composite et dans une certaine mesure leurs propriétés dynamiques. Propriétés des fibres Les propriétés physico-mécaniques des fibres qui peuvent être utilisées comme renfort dispersé de matériaux composites sont données dans le tableau 1. On constate que la résistance à la traction des fibres est à peu près du même ordre de grandeur, avec des valeurs plus élevées pour les fibres inorganiques.  Le module d'élasticité de la fibre minérale est élevé, contrairement à celui des fibres organiques qui est très faible, conduisant à de grandes déformations sous contrainte. Elle a également trouvé des valeurs élevées d'allongement à la rupture pour les fibres organiques. La densité la plus élevée concerne les fibres d'acier, tandis que les fibres de polymère et les fibres de carbone ont une faible densité. Steel fibers 7.8 0.99 uploads/s3/ mc-curs-4-6-rev-2.pdf