12.10.2020 by Dr. Natalie Rudolph
Pourquoi la connaissance de l'anisotropie est cruciale pour la conception de pièces composites à haute performance
Les matériaux composites renforcés de fibres, qui combinent les propriétés des fibres et d'une matrice polymère, existent depuis des décennies. Il existe différentes manières d'incorporer la fibre dans la matrice thermoplastique : fibres orientées de manière aléatoire, fibres continues unidirectionnelles ou tissu multidirectionnel. L'orientation des fibres ajoutées joue un rôle important dans les propriétés des pièces. Apprenez pourquoi le comportement anisotrope du composite est favorable et comment le mesurer avec le TMA 402 F3 Hyperion® Polymer Edition.
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 qui rend les composites à matrice de fibres 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) pur, mais aussi renforcé par des fibres courtes et continues, est largement utilisé pour les pièces automobiles en raison de ses propriétés mécaniques exceptionnelles, de sa facilité de moulage et de son faible coût. Les applications sont, par exemple, les caisses et les plateaux, 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 entre impact et rigidité, ce qui explique pourquoi il est 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 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 nécessaire pour la conception et 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 l'orientation des fibres.
Lorsque l'anisotropie d'un matériau est négligée ou méconnue, elle peut entraîner des problèmes majeurs dans le produit final. Par exemple, les surfaces planes peuvent se déformer ou, pire encore, former des fissures ou se briser.
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 par des 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 est 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° dans 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. Après une étape initiale de refroidissement, la température a été augmentée de -70 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), qui calcule la pente entre deux points de données. Toutes les conditions de mesure sont résumées dans le tableau suivant :
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...300°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 ces types de composites est un mélange entre la matrice et les fibres qu'elle contient. Par conséquent, l'ECU 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 illustrés dans le graphique ci-dessous. 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. Il présente un coefficient de dilatation thermique beaucoup plus élevé et la transition vitreuse connue (Tg) 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 identique à αf et que le CTE de la matrice en polypropylène, αm= 1,6×10-4K-1 (non mesuré ici), la fraction de volume des fibres de verre dans le composite mesuré est calculée comme suit.
L'étude a montré l'importance de l'analyse du coefficient de dilatation thermique des matériaux composites à haute performance en fonction de la direction des fibres.
Si vous souhaitez en savoir plus sur l'analyse thermomécanique et ses domaines d'application, visitez le site www.NETZSCH.com/tmapolymeredition
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.
