polymère (réparé)
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UNIVERSITE HASSAN II FACULTÉ DES SCIENCES ET TECHNIQUES –MOHAMMEDIA
DEPARTEMENT DE CHIMIE
Master : Physico chimie et analyses des matériaux
Vérifié par : M.AKSSIRA
Réalisé par :
Chams Eddine Imane El Mottaki Fatima Ez-zahraà
Année Universitaire : 2012 /2013
FIBRES ARAMIDE
SOMMAIRE :
Introduction
1. Présentation générale des fibres aramides ...................................41.1 Terminologie et structures chimiques .................................. ………………41.2 Fabrication des fibres para-aramides ........................................................ ..51.3 Production du papier méta-aramide pour structures en nid-d’abeilles. …...51.4 Propriétés générales des fibres para- et méta-aramides ........................ …..7
2. Fibres para-aramides de haut module pour matériaux composites ...........................................................................................82.1 Propriétés mécaniques des fibres para-aramides ........................................82.2 Propriétés des composites à base de fibres aramides et de résines époxydes............................................................................... …………………102.3 Propriétés des composites hybrides............................................................12
3. Spécificité des fibres aramides.....................................................153.1 Action des rayons ultraviolets ...................................................................16 3.2 Reprise d’humidité et résistance à l’eau.....................................................16 3.3 Dilatation thermique...................................................................................17
3.4 Découpage et usinage des composites .......................................................19
4. Présentations industrielles des fils et renforts textiles...............205. Domaines d’applications des composites à renforts para-aramides.............................................................................................225.1 Industrie aéronautique ...............................................................................22 5.2 Industrie de l’armement et réservoirs sous pression .................................23 5.3 Construction navale....................................................................................24 5.4 Articles de sport..........................................................................................25
6. Fibres méta-aramides pour structures en nid-d’abeilles ..........266.1 Du papier méta-aramide au nid-d’abeilles (nida) .................................... ..266.2 Fabrication et propriétés des composites sandwiches ................................286.3 Applications du nida....................................................................................30
Perspective…………………………………………………32
Conclusion…………………………………………………33
Bibliographie
INTRDOCUTION
Les polyamides aromatiques, ou aramides, sont une classe de matériaux
résistant à la chaleur et/ou présentant de bonnes propriétés mécaniques. Ils ne
peuvent être utilisés que comme fibres, qui servent surtout à la fabrication
de matériaux composites, en renfort de matrices.
Le mot-valise « aramide » vient de la contraction de l'anglais Aromatic
polyamide.
Les fibres sont obtenues par filage (étirage au travers d'une filière) à partir d'une
dissolution. Les chaînes moléculaires sont fortement orientées dans le sens de
l'axe de la fibre, de sorte que les forces des interactions moléculaires peuvent
être exploitées pour la résistance thermique et/ou mécanique.
Les para-aramides sont utilisés dans de nombreuses applications à haute
technologie dans l'aéronautique, l'aérospatiale, la construction navale, le secteur
militaire pour fabriquer par exemple des gilets pare-balles ou des casques. Ces
matériaux se rencontrent aussi dans l'automobile et le sport et loisir.
1. Présentation générale des fibres aramides
1.1 Terminologie et structures chimiques
Le terme aramide est le qualificatif donné aux fibres synthétiques dont le
polymère de base est constitué d’une longue chaîne polymère dans laquelle au
moins 85 % des groupements amides — NH — CO — sont directement liés à
deux noyaux benzéniques (aromatiques).
Les fibres aramides, contrairement à leur ancêtre le Nylon (polyamide
aliphatique) inventé par Dupont de Nemours en 1935, sont donc des polyamides
aromatiques.
Le polymère conduisant aux fibres aramides est obtenu par polycondensation
d’une diamine aromatique et d’un dichlorure d’acide aromatique, la
réaction se faisant dans un solvant organique :
n NH2—Ar1—NH2 + n CICO—Ar 2—COCIDiamine aromatique dichlorure d′acide aromatique
— [NH—Ar1—NH—CO—Ar 2—CO—]n + 2 HCIAmide aromatique = aramide
Ar désignant un noyau aromatique.
La distinction entre para-aramide et méta-aramide est liée à la structure
moléculaire particulière des deux matières de base : diamine et dichlorure
d’acides aromatiques, comme le montrent les formules de la figure 1.
1.2 Fabrication des fibres para-aramides
Le polymère PPD-T (para-aramide) est insoluble dans les solvants
conventionnels. En revanche, il est soluble dans les acides forts comme l’acide
sulfurique concentré.
Une solution de 20 % du polymère dans l’acide sulfurique est anisotrope et se
comporte comme un cristal liquide. Soumis à une extrusion sous forte pression
dans une filière (un capillaire très fin), le polymère s’oriente fortement (figure
2). Cette orientation est conservée après un court passage à l’air libre suivi d’un
trempage dans l’eau froide. La fibre est formée lors de ce filage par voie humide
en jet sec (dry-jet wet spinning) puis lavée, neutralisée, séchée, et finalement
bobinée. La fibre est constituée de filaments d’un diamètre de l’ordre de 12 μm.
La fibre para-aramide ainsi produite est dite bas module (Kevlar 29, Twaron et
Technora ). La version haut module (correspondant aux Kevlar 49 et Twaron
HM ) est produite par étirement à chaud d’une fibre para-aramide voisine du
type bas module, appelée communément précurseur.
1.3 Production du papier méta-aramide pour structures en nid-d’abeilles
La production du papier Nomex nécessite en premier lieu celle du polymère
méta-aramide (figure 1).
À partir du polymère sont produits, par filature, des fils continus ou, pour
fabriquer la bourre entrant dans la fabrication de vêtements de protection
thermique, des fils coupés (fibres courtes).
Figure 1 Réactions de polymérisation conduisant aux deux types de polymères aramides (para et méta)
Figure 2Développement de la structure orientée par le procédé de filage humide en jet sec d’une fibre aramide
À partir du polymère sont produites directement des fibrilles, ou pulpe,
possédant une grande surface de recouvrement. Fibrilles (pulpe) et bourre sont
réunies sur une machine à fabriquer du papier (machine de type Fourdrinier
modifiée). Le papier ainsi formé possède une faible résistance mécanique et une
faible masse volumique.
Une deuxième opération de calandrage à chaud permet d’obtenir un papier ayant
les propriétés mécaniques et diélectriques acceptables pour les utilisations
ultérieures dans les secteurs électrique, électrotechnique et des matériaux
composites (nid-d’abeilles). Une dernière étape consiste à découper les rouleaux
de grande largeur en rouleaux adaptés pour les utilisations industrielles
mentionnées précédemment.
1.4 Propriétés générales des fibres para- et méta-aramides
Les propriétés physiques des fibres aramides sont présentées dans le tableau 1.
2. Fibres para-aramides de haut module pour matériaux composites
Ce paragraphe se limite aux propriétés et utilisations des matériaux
composites renforcés de fibre para-aramide continue de haut module
(Kevlar 49 et Twaron HM ).
Les propriétés mécaniques des matériaux renforcés de mèches, de nappes
unidirectionnelles, de tissus et de systèmes de renforts multifibres
(hybrides) seront présentées sous forme de tableaux. Les propriétés
influencées par différents paramètres tels que la température, l’humidité,
la fatigue, ainsi que le comportement au choc seront également précisés
dans ce qui suit.
2.1 Propriétés mécaniques des fibres para-aramides
La fibre para-aramide, comme la plupart des fibres orientées, présente une
isotropie transversale : les propriétés de la fibre dans un plan perpendiculaire à
son axe sont différentes de celles mesurées dans le sens longitudinal (le long de
l’axe). Il faut donc distinguer les propriétés axiales des propriétés transversales.
Dans le sens transversal, les propriétés sont impossibles à mesurer et sont
déduites de celles déterminées pour des composites à base de renforts
unidirectionnels et de celles des constituants tels que les résines non renforcées.
Les valeurs de ces propriétés à la température ambiante et à 121 °C sont
présentées dans le tableau 2.
Les variations, en fonction de la température, de la résistance en traction et du
module de traction correspondant sont indiquées sur la figure 3.
La figure 4 présente l’évolution de la résistance en traction en fonction du
temps d’exposition à température élevée.
Figure 3 – Propriétés thermomécaniques des fibres para-aramides de haut module
Figure 4 – Résistance en traction à la température ambiante en fonction du temps d’exposition à différentes températures élevées des fibres para- aramides
À titre de comparaison des différents renforts pour composites, le tableau 3
présente les propriétés mécaniques des fibres imprégnées para-aramides, verre et
carbone.
2.2 Propriétés des composites à base de fibres aramides et de résines époxydes
Un grand nombre de publications scientifiques et techniques, ainsi que la
littérature commerciale des producteurs de fibres, de résines et de renforts
textiles, font état des propriétés physiques des matériaux composites à base de
fibres para-aramides de haut module.
Dans certains cas, et malgré l’existence de logiciels de calcul des composites, la
mesure des propriétés mécaniques d’un produit de conception donnée sera une
aide précieuse, sinon nécessaire, avant la production d’une pièce en série.
Celles-ci sont en effet étroitement liées aux types de résine et de renfort, et à leur
taux, et finalement à la technique de mise en œuvre.
Les deux types de renfort les plus courants sont les nappes unidirectionnelles
(UD) et les tissus de différentes contextures textiles. Les résines le plus
largement utilisées sont les résines époxydes pour le secteur aéronautique et la
fabrication des bouteilles pression et des articles de sport. Dans la construction
navale, les résines de polyesters insaturés sont mieux adaptées aux techniques de
moulage au contact et au procédé RTM.
Le tableau 4 rassemble les propriétés physiques les plus utiles pour le
calcul et la conception de pièces soumises à des contraintes mécaniques. Il
apparaît que, si la fibre aramide apporte une résistance en traction et un module
d’élasticité élevés, avec une faible densité, la résistance à la compression en
revanche est plus modeste, comparée à celle des composites renforcés de fibres
de verre ou de carbone, ce qui exclut souvent le choix de la fibre aramide par
rapport aux deux autres fibres concurrentes. Cela est dû à la grande linéarité de
l’orientation du polymère aramide lors de l’opération de filage. Les fibres de
verre et de carbone possèdent des zones cristallines qui leur confèrent un
meilleur équilibre entre les propriétés en traction et celles en compression, deux
modes de déformation que l’on retrouve simultanément dans la déformation par
flexion.
Alors que la courbe contrainte-allongement est quasi linéaire en traction,
comme le montre la figure 5, celle obtenue en compression en revanche ne l’est
que pour des taux d’allongement faibles. Le mode de rupture en compression
consiste en un flambage de chaque fibre aramide. Le matériau se comporte
durant la déformation et lors de sa rupture de manière similaire à l’aluminium.
Cette caractéristique et, à bien des égards, cette faiblesse, peut être un
atout pour des structures anti-crash, voire pour la protection de renforts à base de
fibres de carbone, cassantes par nature. D’où l’intérêt que présentent les
systèmes de renforts pour composites hybrides, comportant à la fois des fibres
aramides et des fibres de carbone.
2.3 Propriétés des composites hybrides
Le tableau 5 présente les propriétés des composites hybrides unidirectionnels.
Pour ceux contenant des tissus de renforts hybrides carbone/aramide, le module
de traction obéit à la loi des mélanges comme l’illustre la figure 6. En général,
le meilleur compromis entre les diverses propriétés mécaniques telles que les
modules de traction et de compression, la résistance au choc, est observé pour
un rapport en volume de fibres d’environ 75/25 respectivement de carbone et
d’aramide. Les systèmes hybrides inter plis sont également plus performants que
les systèmes intra plis (deux fibres au sein du même renfort plan).
Leur faible masse volumique et leur haute résistance en traction ont permis
aux fibres para-aramides de bas module (Kevlar 29, Twaron ) d’acquérir une
notoriété dans le domaine de la protection balistique souple (gilets pare-balles)
ou rigide (casques et panneaux).
Les fibres para-aramides de haut module jouent un rôle similaire dans la
protection de pièces composites structurales à base de fibres de carbone dont la
résistance aux endommagements et au choc doit être améliorée. Cette protection
est illustrée par les courbes présentées sur les figures 7 et 8 relatives d’une part
à l’énergie nécessaire pour pénétrer un stratifié et d’autre part à la résistance en
traction résiduelle après la chute d’une bille d’acier de 6,4 mm de diamètre à
différentes vitesses d’impact.
Figure 5 – Comportement en flexion des compositesunidirectionnels à base de résine époxydeavec différents renforts fibreux (carbone,
Figure 7 – Variation de l’énergie de pénétration d’une bille dans un stratifié isotrope pour différents types de renfort
Figure 6 – Variation du module de traction de compositeshybrides carbone/aramide en fonction des taux volumiquesdes deux types de fibres de renfort
Figure 8 – Résistance en traction résiduelle, après l’impact d’une bille d’acier, d’un stratifié avec différents renforts
3. Spécificité des fibres aramides
— La dégradation par les rayons UV,
— la reprise d’humidité,
— la dilatation thermique et son influence sur la formation de microfissures
dans les résines
— les opérations de découpage et d’usinage des matériaux composites,
sont soit de faux problèmes (ou à ne considérer que dans des cas d’utilisations
très spécifiques), soit souvent mal comprises par manque d’informations
pertinentes ou par méconnaissance des solutions palliatives.
3.1 Action des rayons ultraviolets
Comme les autres polymères organiques et, de plus, aromatiques, le polymère
aramide (en particulier le paraphénylènetéréphtalamide) et donc les fibres qui en
sont issues, sont sensibles à l’action des rayons ultraviolets. Une exposition
prolongée aux UV (soleil et lumière intense) peut causer un changement de
couleur de la fibre, voire dans certains cas une perte de ses propriétés physiques.
Dans la majorité des cas, la dégradation de la fibre en surface fait écran et
empêche une action plus importante des UV. Cette dégradation n’est pas
observée dans les matériaux composites, la fibre aramide étant protégée par la
résine et bien souvent par les divers enduits et peintures que l’on applique sur les
pièces composites. Pour preuve, l’utilisation depuis de nombreuses années des
matériaux composites aramides dans les domaines aéronautique et spatial.
3.2 Reprise d’humidité et résistance à l’eau
Une caractéristique propre aux polyamides, et donc aux fibres aramides, est leur
reprise d’humidité plus importante que celle des fibres de carbone et de verre.
Le taux d’absorption d’eau varie avec le taux d’humidité et la température du
milieu environnant (figures 9 et 10).
Cette sensibilité à l’humidité des fibres aramides n’a pas été un frein à leur
utilisation au sein des matériaux composites aéronautiques et marins. En effet, la
résine joue là un rôle essentiel et il faut tout au plus s’assurer que son taux
d’humidité soit inférieur à 2 % en masse pour la fabrication des pré imprégnés à
usage aéronautique, et inférieur à 1 % pour l’utilisation de systèmes époxydes
mettant en jeu un durcisseur anhydride d’acide organique (et mis en œuvre par
enroulement filamentaire par voie humide). Dans les deux cas, un séchage avant
les opérations d’imprégnation est une pratique courante dans l’industrie.
Toutefois il faut garder en mémoire que les résines époxydes et polyesters sont
également sensibles à l’humidité : leur reprise d’eau est à l’équilibre (conditions
de service en extérieur) de l’ordre de 2 et 3 % respectivement, et il n’est donc
pas toujours nécessaire de sécher outre mesure la fibre para-aramide pour la
mise en œuvre des matériaux composites. Actuellement, le taux d’absorption
d’humidité des fibres para-aramides Kevlar 49 et Twaron HM est de l’ordre de 2
à 3 % (en masse) dans les conditions habituelles d’humidité atmosphérique et de
température.
3.3 Dilatation thermique
Les coefficients de dilatation thermique linéique sont donnés dans le tableau 6
pour les fibres aramides, de carbone et de verre, et pour les systèmes composites
unidirectionnels à matrice époxyde. Pour la fibre para-aramide en particulier, la
différence entre les coefficients de dilatation thermique dans le sens longitudinal
(axial) et dans le sens perpendiculaire (transversal) est plus importante que la
différence entre ceux correspondants à la fibre de carbone et de verre.
Cela est à l’origine d’un problème qui a fait couler beaucoup d’encre dans les
années 85, à savoir la formation de microfissures au sein des résines époxydes
de pièces composites d’avions civils soumises à des chocs thermiques fréquents,
de 20 à 40 °C au sol à – 40 à – 50 °C à l’altitude de 10 000 m. La variation
dimensionnelle de la fibre dans le sens transversal engendre des contraintes
mécaniques internes qui se libèrent par la formation de microfissures dans la
résine environnante. Ce phénomène existe aussi pour la fibre de carbone, mais
les effets se développent plus lentement.
Pour les composites sandwiches comportant une âme du type nid-d’abeilles
(nida) Nomex et, de plus, des peaux de surface à base de tissu aramide/résine
époxyde, ces microfissures avaient permis le passage et l’accumulation de l’eau
dans les alvéoles du nida. Cette eau, par ailleurs, s’était crée un passage au
travers des fissures des couches d’apprêt et de peinture. La nature fragile de ces
couches de surface a été révélée lors de leur expertise. Finalement, diverses
études ont permis de démontrer que la présence de microfissures n’affectait en
rien les propriétés mécaniques à long terme des pièces composites.
Ce problème de reprise d’eau ne s’est pas posé en Europe et, cela pour deux
raisons : l’étanchéité des composites sandwiches, obtenue avec des peaux
comportant au moins trois plis, et l’utilisation de peintures plus résiliantes à base
de polyuréthane.
Figure 9 – Absorption d’eau d’une fibre para-aramide en fonction du temps de séjour dans l’air ambiant
Figure 10 – Absorption d’eau à l’équilibre d’une fibre para-aramide en fonction de l’humidité de l’air ambiant
3.4 Découpage et usinage des composites
Un des reproches que l’on fait à la fibre aramide et aux composites de
même nom est la difficulté rencontrée pour découper les renforts secs et pour
détourer, percer et poncer les pièces composites. Ces problèmes sont inhérents à
la fibre aramide : polymère très orienté et de nature non abrasive et non
cassante, comparée au verre et au carbone. La plus faible adhérence des résines,
la dilatation thermique de la fibre aramide (lors de l’échauffement consécutif à
L’action d’un outil) et sa faible conductivité thermique apportent des difficultés
supplémentaires. Néanmoins, la découpe et l’usinage des matériaux aramides
sont possibles. Au cours de ces dernières années, les producteurs de fibres (tout
particulièrement Du Pont) ont mis au point des outils et des méthodes facilitant
les opérations de découpage et d’usinage. En règle générale, les outils doivent
être tranchants et très durs (endurcis avec une couche de carbure de tungstène),
et leur géométrie telle que les fibres soient maintenues sous tension pour faciliter
leur découpe par cisaillement. Le découpage et l’usinage des composites
aramides, les outils et les méthodes les plus appropriés ont fait l’objet d’un
article que le lecteur est invité à consulter.
4. Présentations industrielles des fils et renforts textiles
Les fils et stratifils (rovings) en fibre para-aramide, disponibles sous les noms
de marques déposées Kevlar 49 (Du Pont) et Twaron HM (Akzo) sont présentés
dans le tableau 7.
En général, les fils de titres 200 à 1 200 dtex sont utilisés pour le tissage de
renforts textiles destinés en majorité au secteur aéronautique.
Ces derniers sont en fait mis en œuvre sous forme de pré imprégnés qui, en
dernier ressort, seront polymérisés par la méthode du sac à vide en autoclave.
Les renforts secs sont utilisés en majorité dans la construction navale,
secteur industriel pour lequel les méthodes d’imprégnation par voie humide
(moulage au contact, enroulement filamentaire, RTM) sont prépondérantes. Les
fils de 1 500 à 2 500 dtex entrent dans la composition de renforts textiles pour la
construction navale, les articles de sport ; les rovings de 5 000 à 8 000 dtex sont
utilisés pour la technique d’enroulement filamentaire (bouteilles pression, coupe
circuits et tubes) pour l’industrie électrotechnique.
Les tissus de renfort le plus couramment utilisés dans l’industrie des
composites hautes performances sont présentés dans les tableaux récapitulatifs
8, 9 et 10. Ces renforts textiles, ainsi que leur version pré imprégnée pour
certains, sont commercialisés par de nombreuses sociétés spécialisées (se
renseigner auprès des producteurs de fibres).
5. Domaines d’applications des composites à renforts para-aramides
La fibre aramide est employée, au même titre que les fibres de carbone et de
verre, dans la fabrication de matériaux composites pour l’industrie aéronautique,
l’armement, la construction navale, les articles de sport, ainsi que dans d’autres
domaines encore comme l’automobile de compétition, etc.
Elle entre aussi dans la conception de composites multifibres (hybrides), ces
derniers offrant bien souvent le meilleur compromis coût /performance.
5.1 Industrie aéronautique
Aujourd’hui, la part des matériaux composites dans les avions civils tels que
l’Airbus A-310 atteint 10 % en masse. Ce pourcentage est de 15 % pour un
avion turbopropulseur de transport régional comme l’ATR-42 et avoisine 35 %
pour un hélicoptère militaire tel le Tigre. Les fibres aramides sont utilisées dans
de nombreuses pièces, en général faiblement sollicitées (structures secondaires)
comme les volets, les carmans, le ventre mou, etc. La figure 11 en donne une
illustration. Signalons l’utilisation de renforts aramides dans les radômes à base
de nida Nomex pour leurs bonnes propriétés diélectriques.
La fibre aramide est également choisie pour les bords d’attaque des ailes
afin d’améliorer la résistance de celles-ci aux impacts d’oiseaux et ainsi de
protéger les réservoirs de carburant logés dans les ailes.
Les nouvelles exigences anti feu pour l’intérieur de la cabine des passagers ont
amené les constructeurs à adopter des systèmes hybrides à base de fibres
d’aramides et de verre ou de carbone.
Cette démarche a été poursuivie pour certaines pièces extérieures, conçues à
l’origine avec la fibre aramide seule, et cela à la suite du traumatisme créé par le
phénomène de formation de microfissures.
5.2 Industrie de l’armement et réservoirs sous pression
Les fibres aramides alliant à la fois une bonne résistance en traction, un bon
allongement à la rupture, une faible densité, et surtout une bonne résistance au
fluage et à la fatigue (traction), sont très appréciées pour les pièces réalisées par
enroulement filamentaire telles que :
— les systèmes d’arme (tubes de lancement et renforts pour l’amunition solide
des roquettes) ;
— les capacités pression (réservoirs de carburant de fusée ou de système de
mise en orbite des satellites).
Enfin les fibres aramides servent aussi de renfort pour des bouteilles
pression d’appareils de protection respiratoire et de stockage de gaz naturel
(réservoirs pour les autobus urbains).
Figure 11 – Différents matériaux composites présents dans un ATR-42 (document
Aérospatiale)
5.3 Construction navale
Les coques des voiliers de compétition comme les maxi coques de 24 m sont
construites en matériaux composites : une structure sandwich en nida Nomex,
des peaux en fibres de carbone (nappes unidirectionnelles) et, en surface, un
tissu en fibre aramide. Ce dernier permet, entre autres, de protéger les fibres de
carbone contre les chocs et les endommagements.
Dans le domaine de la navigation de plaisance, on retrouve la fibre aramide,
mais les raisons techniques de son emploi ne sont pas toujours évidentes.
Des renforts hybrides à base de fibres aramides et de verre sont régulièrement
utilisés pour la construction des coques et des superstructures de bateaux
patrouilleurs de sauvetage, de yachts de luxe, de catamarans de transport de
passagers.
Pour ces dernières applications, des gains de poids sont réalisés par rapport à des
structures composites à fibres de verre uniquement. Par ailleurs, l’ensemble de
la structure gagne en robustesse, chose appréciable pour des bateaux destinés à
être utilisés pendant de nombreuses années, contrairement à ceux de compétition
pour lesquels la performance à court terme est recherchée. Du Pont a fait des
études dans le domaine de la construction navale en étroite collaboration avec
les sociétés de classification telles que le Lloyd’s Register of Shipping, le
Bureau Veritas et le Det Norske Veritas.
5.4 Articles de sport
Le Kevlar a été utilisé et l’est encore dans les canoës et kayaks pour sa légèreté,
sa résistance structurale et sa tenue au choc. On en met aussi dans les skis pour
sa capacité à absorber les vibrations, chose très appréciée par les skieurs désirant
à la fois performance et confort (figure 12). On l’emploie également dans les
raquettes de tennis et les bâtons de ski afin de protéger les fibres de carbone,
mais aussi, en faible quantité, dans de nombreux articles dans lesquels la
présence d’une fibre « high-tech » est un facteur de vente.
Figure 12 – Coupe transversale d’un ski alpin Rossignol
6. Fibres méta-aramides pour structures en nid-d’abeilles
6.1 Du papier méta-aramide au nid-d’abeilles (nida)
La résistance et le module d’élasticité en traction de la fibre continue méta
aramide étant faibles, cette dernière n’est pas utilisée en tant que renfort pour les
matériaux composites au même titre que la fibre para-aramide. En revanche, elle
constitue la base de deux ingrédients nécessaires à la production du papier méta-
aramide connu depuis plus de vingt ans sous le nom de marque Nomex.
Le papier Nomex est utilisé dans l’isolation électrique et pour la production de
structures alvéolaires similaires au nid-d’abeilles que les utilisateurs français
appellent communément nida.
Le papier est constitué d’un mélange de fibres coupées courtes et de fibrilles de
méta-aramide, regroupées lors d’une opération classique de couchage de papier
par voie humide, et consolidées par calandrage à chaud.
La société DuPont fabrique le papier alors que les sociétés Ciba, Hexcel, Euro
Composites, Schutz, produisent en Europe des structures avec âme en nida.
On fabrique généralement les âmes en nida en appliquant des lignes parallèles
d’adhésif sur des feuilles de papier déroulées, à l’aide d’un procédé
d’héliogravure. Ces feuilles sont ensuite empilées et pressées à chaud pour que
polymérisent les lignes de colle. Par la suite, elles subissent une expansion lors
de laquelle les zones sans adhésif s’ouvrent pour former des cellules
hexagonales ou d’autres formes géométriques. Le bloc expansé est alors trempé
dans un bain de résine phénolique qui est ensuite cuite au four. On répète cette
opération jusqu’à ce que le nida atteigne la masse volumique requise. Par la
suite, on procède au découpage des blocs en « planches » d’épaisseurs requises
(figure 13).
Les nidas sont disponibles en différentes densités, tailles et formes de cellules.
Les propriétés physiques des nidas à cellules hexagonales sont rassemblées dans
le tableau 11. Les structures nidas sont légères et possèdent une grande
résistance tant mécanique qu’au choc. Elles sont donc utilisées dans les
applications pour lesquelles la légèreté associée à la robustesse sont très
recherchées, voire nécessaires. L’industrie aéronautique, comme nous le verrons
plus loin, en fait un très grand usage.
Figure 13 – Étapes successives de la fabrication d’un nida à partir de papier méta-aramide
La nature non métallique du nida apporte la résistance à la corrosion, en
particulier à la corrosion galvanique engendrée par la présence d’inserts
métalliques de fixation, et permet l’utilisation de stratifiés à base de fibres
conductrices telles que les fibres de carbone.
La faible dilatation thermique, la faible conductivité thermique, la bonne
résistance à la chaleur et au feu permettent aux nidas de remplir de nombreuses
exigences des cahiers des charges au-delà des considérations mécaniques pures
(tableau 12).
De plus, les panneaux sandwiches à structure alvéolaire en Nomex peuvent
être façonnés sous n’importe quelle forme, aux dimensions voulues, sans perte
de leurs propriétés.
6.2 Fabrication et propriétés des composites sandwiches
La structure sandwich qui consiste à coller de part et d’autre d’une âme de
faible densité (balza, mousse, nid-d’abeilles en aluminium, Nomex,
verre/époxyde) des peaux fines et rigides (bois en lamelles, feuille d’aluminium
stratifiée) (figure 14) offre un rapport résistance/ poids très élevé, comme
l’illustre la figure 15.
L’âme supporte les forces de cisaillement, tandis que les peaux sont
soumises aux contraintes de compression et de traction (figure 16). Les
caractéristiques des âmes en papier méta-aramide font de ce dernier un produit
de choix pour les applications où un maximum de résistance pour un poids
minimal est recherché.
Pour l’aéronautique, les transports ferroviaires et marins, et pour de
nombreux articles de sport tels que les skis, le nida Nomex offre un ensemble de
propriétés mécaniques et fonctionnelles très intéressantes.
Figure 14 – Éléments constitutifs d’un panneau sandwich en nida
Figure 15 – Exemple de renforcement et de rigidification d’une structure composite en nida Nomex, sans augmentation significative du poids final
Figure 16 – Répartition des contraintes au sein d’un panneau sandwich
Les propriétés du nida, comparées à celles d’autres âmes pour composites
sandwiches tels que l’aluminium, le balza et la mousse PVC, sont données sur
la figure 17.
6.3 Applications du nida
À cause de son prix plus élevé que celui d’autres âmes pour composites
sandwiches, le nida a été et est toujours utilisé principalement dans le secteur
aéronautique.
C’est en novembre 1970 que les premiers planchers en nida Nomex et
peaux en tissu carbone/époxyde ont équipé un VC 10 de la BOAC. Les
problèmes rencontrés par Rolls-Royce avec les pales en fibres de carbone pour
le moteur RB-211 ont conduit le motoriste à revenir au titane. Le poids
additionnel consécutif à cette décision a été compensé par l’allégement des
planchers jusqu’alors constitués d’un sandwich : âme en balza et peaux en
aluminium. Le papier méta-aramide a été retenu plutôt que l’aluminium pour
éviter une corrosion galvanique liée à la présence de peaux en fibres de carbone,
donc conductrices d’électricité.
Les planchers d’avions en nida Nomex équipent la plupart des avions
modernes depuis plus de vingt ans. Cette application demeure la plus importante
quant au volume.
Figure 17 – Propriétés mécaniques comparées de différentes âmes pour composites sandwiches
Le nida Nomex est également utilisé pour tous les panneaux
d’aménagement intérieurs : panneaux de fenêtres, plafonds, coffres à bagages,
ainsi que pour tout l’ameublement des offices et des cuisines. À l’extérieur de
l’avion, on trouve du Nomex dans de nombreuses pièces telles que gouvernails,
élévateurs, volets, carénages, et dans les pales d’hélicoptères.
On commence à utiliser le nida Nomex pour l’aménagement intérieur des
trains rapides et de bateaux de plaisance de luxe, afin de gagner en légèreté. Les
coques des voiliers de compétition tels que les maxicoques de l’America’s Cup
sont construites en nida Nomex et peaux en fibre de carbone avec, pour la
plupart, une protection externe à base de tissu para-aramide tel que le Kevlar.
Signalons enfin l’utilisation de Nomex dans de nombreuses pièces de carrosserie
de voitures de compétition, allant de la Formule 1 à la voiture de rallye, ainsi
que dans les articles de sport tels que les skis alpins ou de fond.
Perspective
Avantages
•Haute résistance à la traction.
•Module d’élasticité élevé
•Excellent facteur d’amortissement des vibrations.
•Faible densité:1.44 g/cm3
•Excellente stabilité thermique : -70 °C à+ 180°C
•N’entretient pas la combustion, ne fond pas, carbonisation à425°C
•Bonne résistance à la fatigue
•Excellentes propriétés diélectriques. Matériau non conductible.
•Bonne résistance chimique aux carburants, à l’eau de mer (sauf acides et bases
forts)
•Prix intermédiaire (2 à3 fois moindre que celui des fibres de carbone)
Inconvénients
•Très faible résistance à la compression.
•Reprise d’humidité importante (4% environ).
•Faible adhérence avec les résines d’imprégnation.
•Sensibilité aux ultraviolets.
•Prix intermédiaire 10 fois celui des fibres de verre E.
•Usinage délicat des matériaux ainsi renforcés.
CONCLUSION
Comme nous avons pu le voir tout au long de ce rapport, l’utilisation des
fibres aramide dans différents domaines tels que la construction navale, les
industries aéronautiques, les industries de l’armement, les réservoirs sous
pression et pour les articles de sport…a connue une évolution croissante au
cours des années.
L’approche s’est faite en quatre étapes :
Présentation générale des fibres aramides qui se résume dans les
structures chimiques, fabrication des fibres para-aramides et les propriétés
générales des fibres para- et méta-aramides.
Spécificité des fibres aramides.
Présentations industrielles des fils et renforts textiles.
Domaines d’applications des composites à renforts para-aramides
BIBLIOGRAPHIE
http://fr.wikipedia.org/wiki/Aramide
https://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:DtEo1v1xNncJ:www.cours.polymtl.ca/mec6306/Fibresaramide.pdf+aramide&hl=fr&pid=bl&srcid=ADGEESjXyVxCeaGrAbhyEa4QIL_wgprZNZJ6LI9mLgdi0hVru39M00Si0UOrRDV_PS2A00wZO7suZOOv5TlupSOLZ08ow1OJt76T0qJ3qQFiRwX7E_ZvPVqco4B1Hj_w1Wk47QYECt13&sig=AHIEtbQJ_k-6h6L5ziuyiYaUg_drxhhbgQ
https://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:OkUa2vfB9uIJ:www.patrick-roch.com/ingemeca/docs/_genie_mecanique/Mat%25E9riaux/Plastiques%2520et%2520composites/Composites/Charges%2520et%2520fibres%2520de%2520renforcement/Fibres%2520aramides%2520pour%2520mat%25E9riaux%2520composites.pdf+fibres+aramide&hl=fr&pid=bl&srcid=ADGEESh2yD6YF4habySnUdkvVqkCw0JSIMtOIhzfxmgJyvv8ciIMSG1ATXwZFaE7YY3EZC_oQBoO_oZd8hXP4M-
sy9C0wWS6nB1Y_dA6nmvw6ChrUZloEVO9rtdDuMA8UzOmxlWnofp&sig=AHIEtbROZkEJyEkZ-pbATPhXMm0PYcU8cQ