Introduction
Les matériaux composites renforcés de fibres, qui combinent les propriétés des fibres et d'une matrice polymère, existent depuis des décennies. Les composites à matrice de fibres sont plus rigides, ont un excellent rapport résistance/poids et ont une densité beaucoup plus faible que leurs homologues métalliques. Ils sont donc jusqu'à 60 % plus légers que, par exemple, l'acier ; une caractéristique très souhaitable lorsqu'il s'agit de composants pour le secteur de la mobilité et en particulier l'industrie automobile, où la réduction du poids est importante pour améliorer l'efficacité énergétique ou étendre l'autonomie des voitures électriques. Un autre avantage des composites à matrice de fibres de verre qui les rend très intéressants pour l'industrie automobile est leur résistance à la corrosion. Les composites à matrice thermoplastique renforcés de fibres de verre ont une densité plus élevée et un module plus faible que les composites renforcés de fibres de carbone, mais ils sont beaucoup moins chers, ce qui est un facteur important pour l'industrie automobile. Le polypropylène (PP) en tant que matériau pur, mais aussi avec un renfort de fibres courtes et continues, est largement utilisé pour les pièces automobiles en raison de ses propriétés mécaniques exceptionnelles, de sa moulabilité et de son faible coût. Les applications comprennent les boîtiers et les compartiments, les pare-chocs, les revêtements d'ailes, les garnitures intérieures, les panneaux instrumentaux et les garnitures de portes. Les autres caractéristiques positives du PP sont sa grande résistance aux produits chimiques, sa bonne résistance aux intempéries, sa facilité de transformation et son équilibre choc/rigidité, ce qui explique qu'il soit l'un des polymères les plus utilisés sur le marché.
Composites quasi-isotropes et anisotropes
Il existe différentes manières d'incorporer la fibre dans la matrice thermoplastique - fibres orientées de manière aléatoire, fibres continues unidirectionnelles ou tissu multidirectionnel ; voir la figure 1. L'orientation des fibres ajoutées joue un rôle important dans les propriétés des pièces.
Alors que les fibres orientées de manière aléatoire augmentent la résistance et la rigidité par rapport au polymère pur dans une certaine mesure, l'ajout de fibres orientées dans une direction préférentielle augmente de manière significative les performances dans cette direction de la pièce. Cette orientation préférentielle confère au composite des propriétés anisotropes, c'est-à-dire que les propriétés dans l'orientation des fibres sont dominées par les propriétés des fibres et perpendiculairement, les propriétés de la matrice sont plus prononcées. La connaissance de ce comportement anisotrope est une condition préalable à la conception et à la production de ces composants composites. Bien que l'anisotropie des propriétés mécaniques soit la première chose à laquelle tout le monde pense, le comportement d'expansion du matériau diffère également en fonction de la direction des fibres. Lorsque l'anisotropie d'un matériau est négligée ou n'est pas connue, cela peut entraîner des problèmes majeurs dans le produit final. Par exemple, les surfaces planes peuvent se déformer ou, pire encore, des fissures ou des cassures peuvent se former.
Analyse thermomécanique - Une méthode pour déterminer l'anisotropie des composites
La méthode d'analyse thermomécanique (TMA) permet de déterminer les changements dimensionnels et donc l'ECU des polymères renforcés de fibres dans différentes directions du matériau. Pour cette étude, des échantillons ont été préparés à Neue Materialien Bayreuth. Trois couches d'un ruban PP-GF UD ont été empilées les unes sur les autres et pré-consolidées dans une presse à double bande dans trois zones de chauffage de 180 à 190°C. Le blanc a ensuite été préchauffé dans une presse à double bande dans trois zones de chauffage de 180 à 190°C. L'ébauche a ensuite été préchauffée dans un four à convection pendant 10 minutes et transférée dans une presse à chaud avec une température de moule de 80°C. Une pression de 10 bars y a été appliquée pendant 5 minutes pendant la solidification. L'épaisseur obtenue était de 1 mm. Alors que le ruban a une teneur moyenne en volume de fibres de 45 %, les variations locales dans la plaque ont été mesurées entre 40 et 50 % de GF. Pour les mesures TMA sur NETZSCH Analyzing & Testing, des échantillons de 25 x 5 mm ont été découpés dans la plaque dans deux directions différentes : 0° par rapport à la direction de la fibre et 90° par rapport à la direction de la fibre.
Les échantillons ont été mesurés avec le nouveau TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition (figure 2). Après une première étape de refroidissement, la température a été augmentée de -70°C à 140°C à une vitesse de chauffage de 5 K/min. Le coefficient de dilatation thermique a été calculé à l'aide de l'analyse Coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE/CTE)Le coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE) décrit la variation de longueur d'un matériau en fonction de la température.CTE moyenne (m. Coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE/CTE)Le coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE) décrit la variation de longueur d'un matériau en fonction de la température.CTE dans le logiciel d'analyse NETZSCH ), qui calcule la pente entre deux points de données. Toutes les conditions de mesure sont résumées dans le tableau 1.
Tableau 1 : Conditions de mesure
| Porte-échantillon | Expansion, en SiO2 |
| Charge sur l'échantillon | 50 mN |
| Atmosphère | N2 |
| Débit de gaz | 50 ml/min |
| Plage de température | -70°C ... 140°C à une vitesse de chauffage de 5 K/min |
Exemple : Anisotropie dans le PP-GF-UD
Ce matériau présente des Coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE/CTE)Le coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE) décrit la variation de longueur d'un matériau en fonction de la température.CTE différents en fonction de la direction dans laquelle le matériau est mesuré. Le CDT de ce type de composites est une combinaison entre celui de la matrice et celui des fibres qu'elle contient. C'est pourquoi le CDT de ces matériaux diffère considérablement en fonction de la direction. Les résultats des mesures du CDT du PP-GF dans les deux directions différentes des fibres sont présentés dans la figure 3. La courbe rouge représente la mesure dans la direction de la fibre 0°. La faible valeur du CDT se situe dans la plage du CDT du verre et montre que cette direction de mesure est dominée par la faible expansion thermique des fibres de verre. Le même matériau mesuré à 90° de la direction des fibres (courbe noire) est dominé par la matrice de polypropylène. Elle présente un coefficient de dilatation thermique beaucoup plus élevé et la transition vitreuse (Tg) connue du polypropylène à -7°C, qui n'est pas observable dans la courbe rouge.
Dans la matrice, la direction dominante du CET d'un composite suit la règle du mélange :
Où α est le coefficient de dilatation thermique linéaire (Coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE/CTE)Le coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE) décrit la variation de longueur d'un matériau en fonction de la température.CTE), v est la fraction de volume et les indices f et m désignent respectivement les fibres et la matrice. En supposant que le Coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE/CTE)Le coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE) décrit la variation de longueur d'un matériau en fonction de la température.CTE mesuré dans la direction des fibres à 0° est le même que αf, et que le Coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE/CTE)Le coefficient de dilatation thermique linéaire (CLTE) décrit la variation de longueur d'un matériau en fonction de la température.CTE de la matrice en polypropylène correspond à αm= 1.6 - 10-4K-1 (non mesuré ici), la fraction de volume de fibre de verre dans le composite mesuré est calculée comme suit :
Résumé
L'étude a montré l'importance de l'analyse du coefficient de dilatation thermique pour les matériaux composites à haute performance en fonction de la direction des fibres.
Accusé de réception
Nous tenons à remercier Neue Materialien Bayreuth GmbH pour la fourniture des échantillons.
À propos de Neue Materialien Bayreuth GmbH
Neue Materialien Bayreuth GmbH est une société de recherche non universitaire qui développe divers matériaux nouveaux pour les constructions légères, depuis les polymères et les composites renforcés de fibres jusqu'aux métaux, y compris leur traitement. Elle fournit des solutions orientées vers les applications en optimisant les matériaux disponibles et les processus de production.