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PROPRIÉTÉS DES FIBRES

Guide des performances des matières travaillées

Le choix de la bonne matière pour un renfort et une application est un facteur clef avant même de décider comment la placer dans un tissu ou une structure.

Les propriétés mécaniques comparées des matières sont présentées dans un tableau en annexe

 

Performances clef pour différencier les matières :

  • Performances mécaniques telles que résistance, rigidité
  • Le tissage, l’alignement des fibres dans le tissu, dans la structure, le pourcentage de fibre dans les différentes directions d’intérêt, la grosseur des mèches, le taux de fibre/résine dans la structure…
  • Le traitement de surface sur les fibre qui va dicter la compatibilité avec les systèmes de résine, le mouillage et le niveau d’adhésion
  • Les performances des résines elles même : résistance, rigidité, viscosité
  • Le placement des tissus dans la structure pour optimiser les orientations, les quantités dans les différentes directions, les continuités des fibres afin de reprendre le mieux possible les charges.

 

 

Principales propriétés des fibres les plus utilisées

 

VERRE

Il existe différent types de verre utilisés pour les matériaux composites : E, ECR, haute performances avec différents niveaux et appellations (S1, E6, E7, S2, HP)

Verre E

C’est le type de verre le plus utilisé

Densité 2,54

Qualités remarquables avec un coût très raisonnable

Ses propriétés principales sont

Bonne Résistance en tension et compression

Bonne stabilité thermique

Résistance à la chaleur

Très bonnes performances inter laminaires mais attention au choix d’ensimage

Résistance chimique

Performance électrique le rendant un matériau de choix pour les circuits imprimés

 

Verre ECR

A des propriétés mécaniques légèrement supérieures au verre E

Développé pour les applications qui requièrent  des résistances chimiques accrues en particulier en milieu Acide

 

Verre S2 (HP)

Densité 2,49

Résistance plus élevée 40 à 50% supérieur au verre E,

Rigidité 20% supérieur au verre E

Résistance à la chaleur supérieure au verre E (suivant les températures 10 à 30%)

Résistance chimique particulière.

 

Il existe d’autres verres dont les propriétés sont plus élevées que le verre E, chaque fabricant ayant des recettes différentes. Pour toute demande spécifique, nous appeler 

 

E-Glass

Originally known as Electical glass

The most economical and commonly used fiber in the reinforced polymer composite industry.

Variety of sizes (finish) depending on the resin system process application.

Good overall strength properties

E-CR Glass

Corrosion Resistant

An E-glass with higher acid corrodion resistance.

Used where strength, electrical conductivity and acid corrosion resistance is needed.

S2®-Glass or HT Glass

Named  »S » for strength or HT for high tenacity

Used where high strength, high temperature resistance, and corrosive resistance are needed.

Density g/m³

2.5

2.54

2.49

Tensile strength

Good

Similar et E-glass

40-50% Higher than E-glass

Compression strength

Good

Similar to E-glass

40-50% Higher than E-glass

Rigidity

 

 

10% Superior to E-glass

Heat resistance

Good

Slightly superior to E-glass

Significantly superior to E-glass (10-30%)

 

CARBONE

La fibre de carbone offre des caractéristiques de résistance mécanique exceptionnelles.
Résistance en tension et compression extrêmement élevées
Rigidité supérieur.
Il existe de multiples grades parmi les fibres de carbone qui offrent des niveaux de rigidité et de résistance différents. On parle de carbone haute résistance (régulier) de carbone très haut module et de carbone très haute résistance.
Il existe de façons principales de produire la fibre de carbone : PAN et PITCH

PAN base (la plus courante)
Densité 1,8
Haute résistance 20 à 70% plus élevé que le verre mais lorsque comparé à masse égale, on parle de 70 à 140% plus élevé pour le carbone « régulier » le plus standard
Le carbone PAN base est le plus standard des carbone

Il existe aussi  des carbones Pan base très Haut module et très haute résistance qui offrent des performances encore plus élevées que celles citées précédemment avec des niveaux de performance accrus jusqu’à xxx% par rapport aux carbones réguliers.

 

Pitch base (rare)

Le carbone produit à base de Pitch est moins couramment utilisé.

Il offre une résistance en générale des modules supérieurs au carbone PAN base mais des résistances inférieurs.

Il a un coefficient d’expansion thermique négatif ce qui en fait un matériau intéressant en particulier pour des applications où le matériau est exposé à de hautes températures tel que les disques de freins très haute performance (avions, F1…)

 

  Carbon fibre

Density g/cm³

1.8

Strength and rigidity

70-140% greater than glass

Modulus

As much as 400-500% higher than glass

ARAMIDE

Utilisées dans certaines structure composites et dans la protection balistique : Para-aramide (Kevlar™, Twaron™, Heracron™)

Densité 1,44

Les fibre Aramides (Para aramide) connue principalement sous les noms de marque Kevlar™ et Twaron™ ont une densité relativement basse, une résistance en tension et un module très intéressants en rapport à leur densité. Leur résistance en compression dans des structures composites est toutefois faible et l’adhésion avec la résine moyenne bien que le module en compression reste élevé dans la limite de résistance.

Il existe 2 familles principales d’Aramides

  • Haut module utilisées pour les structures composites

Résistance en tension  4% plus élevée que le verre E, module 82% plus élevé

Résistance spécifique en tension 71% plus élevée que le verre E et module 200% plus élevé

Résistance en compression (testée en composite) très inférieur à celle du verre.

  • Haute résistance utilisées pour la protection balistique ainsi que pour les vêtements de protection. La résistance est similaire au haut module mais la rigidité est inférieur ce qui est bénéfique pour le comportement en protection.

 Para-aramid

Density g/cm³

1.44

Strength and rigidity

70-140% greater than glass in tension

Modulus

As much as 200% higher than glass

BASALTE

Densité 2,64

Le basalte a une composition chimique proche de celle du verre, la différence lui confère toutefois une amélioration de certaines propriétés telles que :

Augmentation de la résistance 29% par rapport au verre E

Augmentation  du module 20% par rapport au verre E

Cela le place avantageusement entre le verre E et le verre S2® mais à un prix beaucoup plus proche du verre E alors que ses propriétés mécaniques s’approchent du verre S2®.

Il a de plus des propriétés de résistance thermiques intéressantes offrant une meilleure rétention des performances mécaniques lorsque l’utilisation se fait en haute température avec un gain de l’ordre de 120°C pour l’utilistaion comparé au verre E.

Le basalte a une résistance chimique meilleure que celle du verre E en particulier en milieu alcalin (bétons)

FIBRES NATURELLES

La fibre de lin commence à être utilisée dans les structures composites et le chanvre pourrait apparaitre dans les années à venir. Parmi les raisons qui font l’attrrait de ces fibres, on peut citer leur faible densité, leurs propriétés mécaniques prometteuses, certaines performances spécifiques telles que l’absorption des vibrations (donc du bruit aussi) très intéressantes ainsi que leurs attributs « verts »  

Densité du lin 1,4

La résistance spécifique du lin est similaire à celle du verre

Module spécifique légèrement supérieur.

De par ses caractéristiques, il présente plus d’avantages pour des structures monolithiques que pour des structures sandwich.

Il peut avantageusement être utilisé pour l’absorption des vibrations (sport et loisir…) ainsi que pour la réduction du niveau sonore tel que dans le transport (automobile, trains, bus, avions)

Ces fibres proviennent d’une ressource renouvelable et nécessitent peu d’énergie pour être transformés ce qui en fait des matériaux « écofriendly »

Des nouveaux  procédés de récolte et de traitement de ces fibres pour augmenter les performances et réduire les coûts pour les utilisations dans les composites sont en cours de développement en Europe et au Canada principalement. L’utilisation de ces renforts devrait augmenter significativement dans les années avenir.

L’équiipe  de Texonic a construit depuis plus de 6 ans une bonne expertise dans ces matériaux afin de de les adapter à l’industrie des composites a travers de nombreuses collaborations avec des centres de recherche et des partenaires industriels en particulier le Conseil National de la Recherche du Canda  ainsi que la compagnie Depestel qui commercialise la gamme de produits Lincore  

POLYPROPYLÈNE HAUT MODULE (INNEGRA™)

Une fibre hyper légère  « qui ne casse pas ». Son comportement ductile par opposition au comportement fragile de la plupart des autres fibres ainsi que sa légèreté font de cette fibre un candidat de premier choix pour augmenter l’épaisseur d’un laminée sans trop augmenter son poids ainsi que modifier son comportement à l’impact en le rendant ductile.

De la sorte, une piece qui subirait une rupture catastrophique gardera une certaine intégritée et ne se séparera pas en morceaux éparpillés.

Une application encore plus courante et dans le cas d’impact sérieux engendrant une déformation telle que le renfort de verre ou carbone ou basalte se trouvera rompu. Le polypropylène aidera la structure à garder une certaine intégrité, ne pas être perforée, lui permettant de continuer à flotter par exemple dans le cas d’un bateau ou d’un canot. 

Fibre extrêmement légère: densité 0.87

Fibre extrêmement  ductile

Reste blanc dans le laminé (on peut donc utiliser le contraste de couleur pour un visuel cosmétique)

Principalement utilisé en mélange avec d’autres fibres (verre, basalte, carbone)  pour compenser le manque de rigidité, l’adhésion avec la résine qui est très moyenne de même que les performances  en compression médiocre.

POLYESTER

Une fibre relativement légère, peu coûteuse qui apporte une augmentation de la performance à la perforation sans perdre autant de rigidité qu’avec l’Innegra™.

Elle existe dans différentes couleurs

Adhésion avec la résine moyenne

Performance en compression pauvre.

C’est un bon candidat pour un laminé économique et pour augmenter l’épaisseur sans trop se pénaliser en poids afin d’augmenter la rigidité en flexion d’une peau monolithique et son comportement à la perforation.

Densité 1.3

 

HYBRIDE

Profiter des propriétés combinées de plusieurs fibres.

Certaines applications requièrent des propriétés qui pourraient sembler antagonistes. Chez Texonic , notre compréhension des structures composites, des matières et du tissage nous a permis de créer des mélanges qui répondent à de réels besoins. Associer la rigidité et fragilité relative du carbone à la ductilité extrême mais la non rigidité du polypropylène en est un exemple.

Aramide Verre

Pour une meilleurs rigidité que le verre, une densité plus basse et des peaux plus épaisses pour un même poids (afin d’augmenter la résistance à la perforation en particulier)

Carbone / Innegra™

Pour une rigidité accrue, une résistance à l’impact et à la perforation exceptionnelle, un contrôle de l’intégrité du matériau en cas de rupture catastrophique (pas de séparation)

Basalte / Innegra™  et verre / Innegra

L’un des meilleurs renforts pour la résistance aux impacts sévères lorsque l’on recherche un comportement semi ductile : pas de rupture catastrophique, absorption d’énergie maximum, résistance et rigidité statique optimum pour ce genre de sollicitation.

MATRICE THERMOPLASTIQUES COMÉLÉES

Texonic (JB Martin) est un tisseur de la première heure (1985) de fibres commélées faites de mélange de fibre thermoplastiques et de fibre de renfort.

Le thermoplastique est ensuite fondu afin de devenir la matrice.

Ce procédé exige de mouler le matériau à la température de fusion de la matrice.

Les matrices thermoplastiques ont des performances remarquables selons ceux choisits qui les différencient des matrices thermodurcissables, en particulier pour les chocs.

PEEK, PEI, PPS excellente rigidité, résistance au feu

PA12 bonnes performances mécaniques, température de moulage moins extrème que les 3 précédents

Polypropylène léger et ductile, un candidat parfait pour les structures nécessitant peu de rigidité mais une très grande résistance à  l’impact (transport, sports et loisirs, bagagerie, emballage haute performance).  Un procédé de production de cette fibre mélangée en une seule étape a été développé par Vetrotex (Twintex) ainsi que par Jushi (Compofil) faisant de ce matériau un système économique.

CHARTES COMPARAISON

 

Tensile strength (KSI)

Specific strength

Tensile rigidity (MSI)

Specific rigidity

Elongation at break % A%

Density

E-Glass

420

165

10.5

4.13

4.4

2.54

S-2 Glass

665

267

12.4

4.98

5.2

2.49

Basalt

600

227

12.3

4.66

3

2.64

Aramid: High Modulus

(Dupont ™ Kevlar® 49)

435

302

18

12.5

2.4

1.44

Carbon HS* T300

512

284

33.4

18.56

1.5

1.8

Carbon HS TR30S

640

356

33.4

18.56

1.9

1.8

Carbon HS T700

711

395

33.4

18.56

2.1

1.8

Polyester

375

268

17

12.14

3.5

1.4