Matériaux de renforcement

Le terme « fibre textile » désigne de manière générale les fibres fines filées à partir de verre fondu et présentant une section transversale pratiquement circulaire. Le verre textile est fabriqué à partir de verre E de haute qualité et, pour des applications spécifiques, également à partir de verre R et de verre C. Leurs résistances et leurs modules d'élasticité relativement élevés résultent des liaisons fortes entre le silicium et l'oxygène au sein d'un réseau tridimensionnel. En raison de leur structure amorphe, les fibres de verre sont isotropes, contrairement aux fibres de carbone ou d'aramide.

Après la fabrication, un apprêt est appliqué sur la fibre de verre fraîchement formée. Celui-ci lie les filaments entre eux, protège la surface et sert de couche d'accrochage pour la matrice.

Les fibres de carbone, ou fibres C, sont composées à plus de 90 % de carbone pur et ont un diamètre compris entre 5 et 10 micromètres.
Les matières premières utilisées sont généralement le PAN (fibres de polyacrylonitrile), la braie ou la cellulose.

Propriétés spécifiques

• haute résistance jusqu’à environ 2 500 °C
• très anisotropes
• dilatation thermique négative dans le sens de la fibre
• conductrices thermiquement et électriquement
• bonne tolérance biologique
• sensible à la flexion et à la compression
• très résistant à la corrosion
• très coûteux

Après leur fabrication, les fibres de carbone subissent un traitement de surface. Ce traitement consiste à oxyder la surface afin de générer un nombre aussi élevé que possible d’oxydes de surface capables de former des liaisons chimiques avec le système matriciel. La surface des fibres est traitée avec un « fibre finish » immédiatement après le prétraitement. Il s’agit d’une substance destinée dans un premier temps à empêcher l’adsorption d’eau sur la surface active et qui contient les groupes fonctionnels permettant la liaison avec la matrice.

Les fibres d'aramide (Kevlar) sont des polymères organiques linéaires présentant une résistance et une rigidité élevées. À l'instar de la fibre de carbone, la fibre d'aramide présente un coefficient de dilatation thermique négatif en raison de son orientation moléculaire élevée (effet d'entropie).

Propriétés particulières

• fibre de renfort la plus légère
• très sensible à la pression
• fortement anisotrope
• forte absorption d'humidité
• Sensibilité aux UV
• faible adhérence à la matrice
• mauvaise usinabilité
• très coûteux

La surface de la fibre d'aramide est chimiquement inerte et très lisse. Une adhérence chimique ou mécanique à la matrice est donc pratiquement impossible. L'apprêt appliqué n'a ici qu'une fonction protectrice.

Les fibres de basalte sont fabriquées à partir de roche basaltique fondue et étirées en filaments continus. Elles sont d'origine minérale et non métalliques. En tant que matériau de renforcement, elles sont disponibles, entre autres, sous forme de rovings, de mats, de nappes et de tissus.

Propriétés spécifiques

• haute résistance à la chaleur et aux produits chimiques
• bonne résistance mécanique et rigidité
• isolantes électriquement
• bonne résistance à l'humidité
• selon l'architecture des fibres, bonne isolation acoustique et amortissement des vibrations
• matière première minérale

Pour la pultrusion, ce sont surtout les mèches de basalte adaptées qui sont importantes. La facilité de mise en œuvre et les propriétés ultérieures des pièces dépendent notamment de l’apprêt, du système de résine, de la teneur en fibres et de la géométrie de la pièce.

Fibre de cellulose

La fibre de cellulose appartient au groupe des fibres de renforcement organiques. Elle est généralement constituée de pâte au sulfite issue du bois de hêtre ou de cellulose de coton pure.

Aux débuts de la technologie des composites, cette fibre était utilisée pour renforcer les résines phénoliques. On la retrouve encore aujourd’hui dans les produits en papier imprégné de résine phénolique.

Fibre PAN

La fibre de polyacrylonitrile appartient au groupe des fibres de renforcement organiques synthétiques.
La fibre PAN est une fibre à haute résistance présentant une section transversale en forme de rein. Elle est principalement utilisée comme matériau de substitution dans les produits en fibrociment et dans les plaquettes de frein.

Fibre de polyéthylène

La fibre de polyéthylène appartient au groupe des fibres de renforcement organiques synthétiques.

La fibre PE est constituée de polyéthylène UHMW fortement étiré. Son point de fusion est d'environ 150 °C et elle a tendance à fluer. Elle présente toutefois une grande capacité d'absorption de l'énergie de choc et est principalement utilisée comme matériau hybride (en association avec d'autres fibres de renfort).

Fibre céramique

La fibre céramique appartient au groupe des fibres de renforcement inorganiques synthétiques.
La fibre céramique est utilisée pour renforcer les matériaux métalliques

Fibre de bois

La fibre de bois fait partie du groupe des fibres de renforcement organiques naturelles.

Les poudres de bois utilisées pour renforcer les masses à mouler à base de phénol-formaldéhyde et de mélamine-formaldéhyde sont généralement des fibres de bois finement broyées issues d'épicéa ou de hêtre.

Fibres de polyester (PET)

Les fibres de polyester appartiennent au groupe des fibres de renfort synthétiques organiques.
Elles sont principalement utilisées dans le secteur textile. Leur résistance à la traction est comparable à celle des fibres de polyamide, mais leur résistance aux chocs est supérieure à celle de la plupart des fibres synthétiques. Lorsqu’elles sont combinées à des fibres de verre dans des matériaux composites, elles permettent d’améliorer la résistance aux chocs.

Fibre d'amiante

La fibre d'amiante appartient au groupe des fibres de renforcement inorganiques naturelles.

L'amiante est la plus ancienne matière fibreuse inorganique ; il était extrait de gisements minéraux naturels (silicates hydratés de magnésium et de sodium). Pour des raisons bien connues, ces fibres ne sont plus utilisées aujourd'hui et ont été remplacées.

Fibre métallique

Les fibres métalliques appartiennent au groupe des fibres de renforcement inorganiques synthétiques.
Les fibres métalliques peuvent être fabriquées à partir d’acier, de laiton, de bronze, de cuivre, d’aluminium, d’argent, d’or et de platine.
Les fibres métalliques sont utilisées pour renforcer les matériaux métalliques.

Fibre de sisal

La fibre de sisal fait partie du groupe des fibres de renforcement organiques naturelles.

Elle n’a toutefois pas réussi à s’imposer, malgré son prix inférieur à celui de la fibre de verre.

Ce n'est que lorsque l'on a cherché un matériau de substitution à l'amiante pour la fabrication des plaquettes de frein que le sisal a refait parler de lui.

Fibre de polyamide

La fibre de polyamide appartient au groupe des fibres de renforcement organiques synthétiques.

Les fibres de polyamide les plus importantes sur le plan technique sont à base de PA 66 et de PA 6. Utilisées dans des composites, elles améliorent notamment l'élasticité et la résistance au fluage.

Fibre de bore

La fibre de bore appartient au groupe des fibres de renforcement inorganiques synthétiques.

La fibre de bore est fabriquée selon le procédé de dépôt en phase vapeur. Le tungstène sert de substrat. Un fin fil de tungstène est chauffé électriquement et le bore se dépose à partir de la phase gazeuse.

Les fibres de bore sont utilisées pour renforcer les matériaux métalliques.

Whiskers

Les whiskers font partie du groupe des matériaux de renforcement inorganiques synthétiques.
Les whiskers sont des fibres inorganiques monocristallines fabriquées par synthèse. Lorsqu'on parvient à orienter ces fibres dans une masse fondue, on obtient un matériau composite présentant une résistance exceptionnelle.