Propriétés des matériaux composites

Bonjour,

Ce post pour éclaircir ce que sont les composites que l'on utilise couramment.

On trouve principalement les composites sous formes de fils (roving), rubans (tapes), tresses (braids), tissus unidirectionnels (non-crimp fabrics), tissus (fabrics), chaussettes (hose) et mats (chopped strand mats).

Les fils

Les grandeurs caractéristiques d'un fil sont :
- le type de fibre employé : verre E, carbone HT, aramide HM, ...
- le nombre de filaments dans chaque fil avec une valeur donnée en millier de filaments (K) : 1K, 3K, 6K, 12K, 24K, ...
- le masse en grammes pour 1000 mètres de fil avec comme nom d'unité le "TEX".



Remarques :
- La fibre de verre est très répandue et commune. On la trouve généralement sous la forme de la fibre de verre E.
- La fibre de carbone est fabriquée par seulement trois ou quatre entreprises dans le monde. On la trouve généralement sous la forme de la fibre de carbone HT.
- La fibre d'aramide existe sous des formes très différentes suivant le fabricant car il s'agit d'une complexe formulation chimique de polyamides aromatiques. On la trouve généralement sous le nom commercial de Kevlar avec une fibre d'aramide HM.


Propriétés mécaniques typiques des fibres seules (hors stratification) :

Sources :
- Fibres de verre de chez AGY : http://www.agy.com/technical_info/graphics_PDFs/Advanced_Materials.pdf
- Fibres de carbone de chez Toray Industries : http://www.torayca.com/properties/en/images/report_eng01_2.html
- Fibres d'aramide de chez Dupont : http://www2.dupont.com/Kevlar/en_US/assets/downloads/KEVLAR_Technical_Guide.pdf

Petit lexique des propriétés mécaniques usuellement données pour les fibres :
- Densité (density) : masse pour un volume unitaire, donnée en gr/cm3.
- Résistance à la traction (tensile strenght) : contrainte maximale admissible en traction, donnée en MPa (1 MPa = 0,1 Kg/mm²).
- Module d'élasticité en traction (tensile modulus) : raideur en traction, donnée en GPa (1GPa = 1000 MPa = 100Kg/mm²).
- Élongation à la rupture (elongation at break) : étirement maximal possible avant rupture, donné en % d'étirement.

Fibres de verre :

- Verre E : fibre de verre de grande diffusion

La fibre de verre type E :
Densité = 2,54 gr/cm3
Résistance à la traction = 3790 MPa
Module d'élasticité en traction = 72 GPa
Élongation à la rupture = 4,9 %

- Verre S-2 : fibre de verre technique

La fibre de verre type S-2 :
Densité = 2,49 gr/cm3
Résistance à la traction = 4830 MPa
Module d'élasticité en traction = 90 GPa
Élongation à la rupture = 5,8 %

Fibres de carbone :

- Carbone HT, HTS : Hight Tensile, Hight Tensile Strenght => haute résistance à la traction.

La fibre de carbone type T700SC :
Densité = 1,80 gr/cm3
Résistance à la traction = 4900 MPa
Module d'élasticité en traction = 230 GPa
Élongation à la rupture = 2,1 %

- Carbone IM, IMS : Intermediate Modulus, Intermediate Modulus Strenght => module d'élasticité intermédiaire et résistance avancé.

La fibre de carbone type M30SC :
Densité = 1,73 gr/cm3
Résistance à la traction = 5490 MPa
Module d'élasticité en traction = 294 GPa
Élongation à la rupture = 1,9 %

- Carbone HM, UHM : Hight Modulus, Ultra Hight Modulus => haut et très haut module d'élasticité.

La fibre de carbone type M55J :
Densité = 1,91 gr/cm3
Résistance à la traction = 4020 MPa
Module d'élasticité en traction = 540 GPa
Élongation à la rupture = 0,8 %

Fibres d'aramide :

- Fibre d'aramide HM : Hight Modulus => haut module d'élasticité.

La fibre de Kevlar 49 :
Densité = 1,44 gr/cm3
Résistance à la traction = 3000 MPa
Module d'élasticité en traction = 112 GPa
Élongation à la rupture = 2,4 %

- Fibre d'aramide SM : Standard Modulus => module d'élasticité standard

La fibre de Kevlar 29 :
Densité = 1,44 gr/cm3
Résistance à la traction = 2920 MPa
Module d'élasticité en traction = 70 GPa
Élongation à la rupture = 3,6 %

Remarques :
- Attention toutes ces valeurs données doivent être prises comme qualitatives car on ne parle pas encore de stratifié.
- La fibre de verre est d'une rigidité limitée, mais accepte de fortes déformations.
- La fibre de carbone est d'une rigidité supérieure, mais ne supporte que de faibles déformations.
- La fibre d'aramide est d'une rigidité moyenne, mais présente la plus faible densité et la meilleure résistance.

Les tissus

Définition :
Le tissu est obtenu par le tissage qui est le résultat de l'entrecroisement, dans un même plan, de fils disposés dans le sens de la chaîne (warp) et de fils disposés dans le sens de la trame (weft). En général l'angle entre la trame et la chaine est de 90°.

Les grandeurs caractéristiques d'un tissu sont :
- le type de fil employé (yarn type) : verre E 12 tex, carbone HT 67 tex, aramide HM 22 tex, ...
- le type de tissage (weave pattern) : toile, sergé, satin, ...
- la densité d'entrecroisement chaine et trame (number of end per cm²) : 12x12, 16x15, ...
- la masse au m² avant stratification (weight) : 93 gr/m², 160 gr/m², ...

Les types de fil :

On retrouve les différents types de fil disponibles en bobines mais la diversité est moindre. En général le même type de fil est employé pour la chaine et la trame :



Si le type de fil est différent sur la chaine et la trame et qu'ils participent tous les deux aux propriétés mécaniques de l'ensemble, on parlera alors de tissu hybride :



Parfois, une très faible proportion de fibre verre est utilisée pour tenir alignée des fibres. C'est souvent le cas du tissu de carbone unidirectionnel :



Il existe aussi une famille de produit qui est basée sur des fibres les plus plates possibles (spread tow). Il s'agit d'un procédé de fabrication qui cherche aplatir au maximum les fibres. Ceci permet de limiter la quantité de résine nécessaire pour l'imprégnation mais également d'avoir les fibres les plus rectilignes possible (peu d'espace entre deux fibres et pas de torsion du fil sur lui même). On trouvera principalement des unidirectionnels et quelques tissus :



Les types de tissage :

Il existe trois grandes familles de motif de tissage :

- la toile (plain weave)


- le sergé (twill weaves)


- le satin (satin weave)

Il existe bien évidemment une grande variété de déclinaisons de ces motifs de base.


La densité d'entrecroisement chaine et trame :

En règle générale, la distance entre deux entrecroisements est la même sur la chaine et sur la trame.

On peut remarquer que entre certains tissus proches, seule la densité d'entrecroisement change. C'est par exemple le cas entre le tissu de carbone 65 gr/m² (5x5 au cm²) et le tissu de carbone 93 gr/m² (7x7 au cm²). Il faudra donc être attentif aux espaces entre les fils avides de résine fraiche.

Si cette distance est différente, alors le tissu est dit non équilibré. C'est souvent le cas avec les tissus de verre comme par exemple le tissu de verre 49 gr/m² (23,7x18,5). Ce genre de tissu a donc un sens d'utilisation !

Cas particuliers des rubans, tresses et chaussettes :

- les rubans sont des tissus de faible largeur. Leur intérêt réside dans le fait de supprimer les opérations de coupe dans le sens de la longueur. Ils sont généralement de type unidirectionnel et ils existent en verre, carbone et aramide.


- les tresses sont des tissus de faible largeur dont les fibres présentent un angle avec la direction principale. On les trouve généralement en fibre de verre et fibre de carbone avec un angle au repos de 30° ou 45°.




- les chaussettes sont des tissus formant un tube d'un diamètre donné lorsque les fibres se trouvent à /-45° par rapport à la direction principale. On les trouvent réalisées en fibre de verre, de carbone et parfois hybride carbone/aramide.



Les mats :

Il n'y a pas de tissage, les fibres sont disposées de manière aléatoire. On trouve principalement du mat de verre et du mat de carbone :




Propriétés mécaniques des résines epoxy :

Les résines epoxy présentent des caractéristiques qui les rendent très intéressantes pour réaliser un matériau composite avec les fibres : viscosité, mouillabilité des fibres, résistance à la compression, résistance aux chocs, résistance aux fissures, ...

A l'utilisation la résine passe de l'état liquide, avec une certaine viscosité, à
l'état solide. Cette étape est appelée polymérisation. C'est à dire que
les chaines moléculaires s'organisent en un réseau donné.

La résine seule présente des caractéristiques mécaniques identiques dans toutes les directions. C'est donc un matériau homogène isotrope.

Principales caractéristiques :
- Densité (density) : 1,2 grm/cm3
- Module d'élasticité (modulus of elasticity) : 32 MPa
- Résistance à la traction (tensile strenght) : 75 MPa
- Résistance à la compression (compressive strenght) : 130 MPa
- Élongation à la rupture (elongation at break) : 6 %

Remarques :
- la résine epoxy est moins dense que le tissu
- la résine epoxy est plus de 1000 fois moins rigide que les fibres
- la résine epoxy peut s'étirer nettement plus que les fibres avant la rupture


La suite dans un autre message, celui-ci étant plein !


JCT

Bonsoir, c'est une excellente idée que tu as là JC, j'ai déjà appris pas mal et j'attends la suite.

Gérard

Salut Gérard,

J'ai complété un peu le post.

J'espère que c'est utile et intéressant.


@+

JCT

Super JCT, oui ce serra trés utile, c'est le genre de truc qui reviens souvent dans les forums.

Je préciserait que le sergé est très "drapable" CAD il va bien pour faire des formes non développables (nez de planeur), je fais aussi la différence entre la Nappe et l'UD, La nappe (spread tow) c'est de l'UD mais il n'y a pas de mèches (ce que tu as mis en photo) J'ai appris ca sur ce forum! Et justement tu as oublié (pas encore mis) la nappe tressé (spread tow fabric)

A+

Erik

Salut Erik,

Je pense avoir corrigé les manques.

En parlant de nappe tressé, chez R&G il est possible depuis peu de commander leur dernier tissu du genre :

Carbon fabric "Spread-Tow" UHM 50 g/m²



C'est plus de 1100 euros les 5 mètres minimum, si le cœur t'en dis...

@+

JCT

Finalement les densités restent légères, les écarts à la traction peu significatif de 10 puis 20 % avec l'aramide. Il n'y aurait que les écarts de prix qui seraient significatifs? On se ferait pas un peu avoir pas des arguments de vendeur et de mode?
A moins que la résine nous bouleverse ces données.
Je reste collé, que dis-je collé, plastifié à ton post JC, Bravo!
Gérard

Gérard, si seulement c'était si simple
Chaque type de fibre a ses avantages, celui que tu oublies pour le carbone c'est sa module d'élasticité et son allongement, pour un lancé main ça ne ferra peut-être pas une aile beaucoup plus solide le carbone par rapport au kevlar mais ça ferra une aile beaucoup plus rigide qui se déformera beaucoup moins au lancée donc l'énergie serra moins absorbé.
Pour les densités le kevlar a un gros avantage surtout par rapport au verre, le 61g kevlar est aussi épais que le verre 105-110g, donc pour le même poids ou proche l'aile aura donc une peau plus épaisse qui se marquera moins, qui serra plus durable, plus résistant aux impacts, etc.

JC, on en révais l'autre jour mais là quand meme c'est un peu cher. Pourquoi pas pour un compétiteur de très haut niveau un petit calcul vite fait; on gagne 20g par rapport au 80g sur une aile de 22dm2 pour 100-150€ de plus cher...

Erik

Hé oui Gérard, ce n'est pas encore fini !

J'essaye de donner des clés sur ce sujet vaste et parfois opaque.

Le matériau final étant un "composite" il va falloir marier, pour le meilleur et pour le pire, ces deux entités fort dissemblables. Il va falloir patienter jusqu'au prochain épisode...

Erik, rassures toi, ils sortent aussi un magnifique Textrem 76 gr/m² en carbone IM et qui est 2,5 fois moins cher que ce 50 gr/m² UHM.


@+

JCT, qui a son H5N2 enfin redescendu de son arbre perché. Merci le mistral gagnant !

Suite et fin du post.


Quantités de résine nécessaires à la stratification :


Proportions typiques des quantités de résine nécessaires pour les tissus :

1m² de tissu de verre de 100 gr/m² va nécessiter 80 gr de résine.

1m² de tissu de carbone de 100 gr/m² va nécessiter 115 gr de résine.

1m² de tissu de kevlar de 100 gr/m² va nécessiter 140 gr de résine.

Bien évidemment la consommation de résine pour un tissu dépend du type de tissage de celui-ci, de la qualité d'imprégnation de la résine, mais aussi et surtout de la qualité de l'opération manuelle.

Propriétés mécaniques des stratifiés :

Petit rappel de mécanique :


Propriétés mécaniques générales des stratifié :



Propriétés mécaniques des stratifiés unidirectionnel :








Propriétés mécaniques des stratifiés en tissus :






Maintenant si on trace le module de cisaillement en fonction de l'angle entre la direction du tissu et la sollicitation, cela donne ceci :





Bilan général :



JCT

Tes graphiques, ce qui serrait sympa c'est de nous les faire mais avec la même masse pour chaque fibre, là tu compares à section équivalente alors que ce qui nous intéresse en modelisme c'est le rapport poids/résistance.

JC Tourniaire a écrit:

Proportions typiques des quantités de résine nécessaires pour les tissus :

1m² de tissu de verre de 100 gr/m² va nécessiter 80 gr de résine.

1m² de tissu de carbone de 100 gr/m² va nécessiter 115 gr de résine.

1m² de tissu de kevlar de 100 gr/m² va nécessiter 140 gr de résine.

Bien évidemment la consommation de résine pour un tissu dépend du type de tissage de celui-ci, de la qualité d'imprégnation de la résine, mais aussi et surout de la qualité de l'opération manuelle.

Comme le dis ta signature, ça c'est la théorie, en pratique pour une aile de lancée main on peut éponger le Kevlar énormément sans risque alors que le verre si on l'éponge trop ça ne colle pas au noyau et se délamine.

Pour moi si on fait correctement les choses une aile en kevlar 61g a la peau plus épaisse qu'une aile fibre 80g (se marque moins) mais est aussi plus léger qu'une aile en verre 50g si on l'éponge correctement.

A+

Erik fan du kevlar mais tes graphiques ne rendent pas justice

Salut Erik,

Erik a écrit:

Tes graphiques, ce qui serrait sympa c'est de nous les faire mais avec la même masse pour chaque fibre, là tu compares à section équivalente alors que ce qui nous intéresse en modelisme c'est le rapport poids/résistance.

Toi tu ne connais pas encore l'histoire des quatre aveugles et de l'éléphant...

Pour faire la comparaison comme tu le suggères il faut pondérer les valeurs des modules d'élasticité par l'inverse de la densité. Ainsi on s'affranchit de la différence de densité des matériaux.

Si on prend les valeurs suivantes :
Verre : 2,5 gr/cm3
Carbone : 1,8 gr/cm3
Kevlar : 1,44 gr/cm3

On fait donc E/Rho et G/Rho, et on obtiens alors :






Le kevlar est moins loin du carbone grâce à sa plus faible masse volumique. Le verre est à la ramasse plombé par ses propriétés mécaniques déjà faibles et par sa masse volumique.

Erik a écrit:

Comme le dis ta signature, ça c'est la théorie, en pratique pour une aile de lancée main on peut éponger le Kevlar énormément sans risque alors que le verre si on l'éponge trop ça ne colle pas au noyau et se délamine.
Pour moi si on fait correctement les choses une aile en kevlar 61g a la peau plus épaisse qu'une aile fibre 80g (se marque moins) mais est aussi plus léger qu'une aile en verre 50g si on l'éponge correctement.

Si tu compares le kevlar et le verre pour une utilisation à 45° sur une aile pleine de lancé main il y a plusieurs paramètres qui favorise le kevlar par rapport au verre (mis à part du prix et de la facilité d'usage bien sûr ) :

- le kevlar est moins dense que le verre : 1,44 contre 2,5 gr/cm3.
- le kevlar est très résilient (résistant aux chocs) par rapport au verre.
- à masse égale le stratifié en kevlar à 45° présente une rigidité dans le sens de l'envergure quasi identique par rapport au stratifié en verre à 45°.
- à masse égale le stratifié en kevlar à 45° présente une rigidité en torsion triplée par rapport au stratifié en verre à 45°.


Si on fait le bilan pour 0,5 m² de stratifié sur une aile F3K (j'arrondis un peu la surface pour simplifier) :

0,5 m² de Kevlar 61gr/m² -> 30,5 gr de tissu qui réclamerons 42,7 gr de résine -> total 73,2 gr, peau de 0,13 mm d'épaisseur

0,5 m² de Verre 80 gr/m² -> 40 gr de tissus qui réclamerons 32 gr de résine -> total 72 gr, peau de 0,088 mm d'épaisseur

0,5 m² de Verre 50 gr/m² -> 25 gr de tissus qui réclamerons 20 gr de résine -> total 45 gr, peau de 0,054 mm d'épaisseur

J'ai bien une peau d'une épaisseur supérieure pour le kevlar, mais mon devis de poids n'est pas dans le vrai on dirait.

Erik, pèses-tu les tissus et la résine que tu prépares pour eux ?

J'essaye de comprendre, mais je suis convainque du résultat rassures toi.


@+

JCT

Erik Richards a écrit:

Voila ses petits frères mes premiers empennages en Kevlar, ben je regrette de ne pas avoir commencé plus tôt la construction est donc kevlar 36g avec le BA en verre 50g > un peu moins de 14g l'ensemble! et c'est mega rigide le BF n'est pas fragile du tout! les mêmes que j'ai fait en verre 25g avec BA en verre 25g font 13g l'ensemble... La grosse différence c'est que le Kevlar on peux éponger beaucoup plus que le verre, j'ai tenté la méthode Barnes CàD 3-4 couches d'essui-tout entre les mylars (à la place des noyaux) dans le sac à vide quelques minutes, en sortant on dirait que le tissus est sec.. en petit coup de résine sur le BF pour pas que ce soit trop sec et c'est tout.


A+

Erik

Quand on sort les mylars du vide, le kevlar est très clair on dirait vraiment qu'il est sec, j'avais vraiment des doutes... pourtant je t'assure que mes empennages sont très costaud, alors qu'avec le verre si on éponge un peu trop ca ne marche pas, ca ne colle même pas au noyau. je pense que j'utilise beaucoup moins de résine que la théorie. J'ai pas encore tenté cette méthode sur une aile mais je penses que je vais oser la prochaine fois.
J'essayerais de peser la prochaine fois.

Erik

un petit détail d'ailleurs : toutes les propriétés données sont valables avec la bonne quantité de résine...
Une fois essoré, le stratifié n'a plus du tout les mêmes propriétés, quelle que soit la nature des fibres.

De plus, on parle beaucoup des fibres, mais on oublie trop souvent les propriétés de la résine, pourtant essentielles !
Il y a beaucoup de résine époxy, mais toutes ne se valent pas. Tandis que selon les fournisseurs de fibres, les perf n'évoluent que très très peu.

Tu a certainement raison Laurent mais peut-être avec cette technique on arrive juste au minimum "théorique" alors qu'avec la FDV on doit mettre un peu plus pour être sur que ca colle.... la prochaine fois je pèse pour être sur

pas impossible que le kevlar supporte mieux d'être "sec" en resine...

pour info, en aéronautique, on vise entre 58 et 60% de taux volumique de fibres (TvF) dans le stratifié.

Bonsoir,

Il faudrait aussi préciser que dans l'industrie aéronautique et spatiale on utilise des pré-imprégnés pour atteindre 60% de volume de fibre dans les composites.

Pour ceux qui ne connaissent pas, le pré-imprégné est un matériau composite dont la résine a été imprégné dans le tissu en usine et maintenue à l'état de sommeil à basse température (-18°C). Pour l'utiliser, on commence par décongeler le morceau, puis on passe le tout sous vide (parfois même sous pression extérieure de plusieurs bars au lieu de la pression atmosphérique) et on chauffe à plus de 100°C pendant quelques heures. Gros avantages, en plus de la qualité constante et du niveau de performance de ces composites, l'opérateur n'a plus les mains dans la résine ni les vapeurs toxiques dans les poumons. Ce qui n'est pas négligeable.

Les données que j'ai mises sont valable pour 35% de fibre en volume, ce qui est une moyenne représentative de nos constructions dite par "voie humide".

Il semble que la technique employée avec succès par Erik permette d'atteindre près de 60% de fibre en volume d'après les données en masse sur des dérives réalisées. C'est donc exceptionnel comme taux pour une méthode manuelle.


Bonne

JCT

les 60% de tvf ne sont pas atteint uniquement avec les pré-imprégnés mais également avec les procédés d'injection de resine (RTM, LRI pour ceux que cela interesse) donc a base de tissus sec.

Ce taux correspond a un optimum avec nos matériaux.

Pour info avec du procédé LRI (infusion de résine) on injecte juste la quantité de résine nécessaire pour obtenir 60% de tvf. C'est ce que se rapproche le plus de l'imprégnation manuelle au pinceau/rouleau/spatule.

JC tu nous refais pareil mais tu ajoutes le Basalt?

Chez R&G ils ont aussi des nouveaux joncs, tubes, méplats, etc en VEC "carbon fibre and vinyl ester resin", est-ce quelqu'un connais les avantages/inconvénients/interets ?

A+

Erik

Salut Erick
Si cela peut apporter de l'eau à ton moulin.
il semble qu'il existe des epoxy vinyl ester
http://www.crayvalley.com/en/index.php/products/composite-solutions/products/vinyl-esters

un peit cours là : http://www.cours.polymtl.ca/mec6306/Resines%20vinylesters.pdf

bonjour pourquoi pas du bambou ? il me semblent qu'il a des propritete interesante Non ? http://french.alibaba.com/product-gs/fabric-for-lamination-hl-3029-1-267673395.html un melange de kelvar bambou ou carbone bambou je n'arrive pas a trouver d'aute infos dessus

Bonsoir Nicolas. Les matériaux de stratification vendus sur ce site ont ils les qualités recherchées en aéronautique?
Pour des bonnes propriétés mécaniques/poids, un tissus de fibre carbone semble dur à concurrencer.
Ps: J'ai vu du plaquage en bambou qui paraissait crédible pour faire une aile coffrée .

Industriellement, il y a des ensembles bambou/carbone qui donnent de très bon résultats. On arrive à avoir une flexion moins importante pour une masse identique.
J'm

Bonjour J'm. Sait tu ce qu'il fabriquent avec ces ensembles bambou/carbone?

Oui des robots.
J'm