Fibres(composites) : Différence entre versions

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Les fibres pour les construction en composite peuvent être en différentes matières :
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Les fibres pour les constructions en composite peuvent être en différentes matières :
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==Composite==
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Un composite est un ensemble de deux éléments, un ensemble de fibres enrobées d'une matrice.
  
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==fibres "traditionnelles" (synthétiques)==
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On retrouve les [[bois]] comme des composites à eux seuls (matériau composite alvéolaire multicouche), en effet ils possèdent des fibres de celluloses et une matrice qui est la sève de l'arbre. <br/>
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Usuellement on aura un tissu de fibre, qui sera enduit d'une matrice que l'on coulera ou appliquera sur le tissu au pinceau. <br/>
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On peut aussi trouver les fibres sous forme de "longs cheveux" que l'on appliquera comme un nœud pour joindre deux objets.
  
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===verre===
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Les fibres sont généralement des matériaux extrêmement résistants, mais suivant des sollicitations particulières (traction et compression généralement)
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===carbone===
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:Par exemple le carbone atteint des records en traction, bien plus résistant que de bon aciers, néanmoins, en torsion le carbone est très mauvais, tellement que l'on peut casser des règles en carbone à la main sans trop forcer.
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Très performant, mais moyennement soupple.
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On retrouve deux types de fibres, les longues et les courtes/
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*Les longues, font toute la longueur de la pièce composite, elles ont toutes les propriétés du matériau, ce qui les rend très performantes et utilisées partout.
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*Les courtes, font généralement une dizaine de cm de long, elles permettent la mise en forme du matériau, mais les propriétés sont grandement diminuées par rapport aux fibres longues.
  
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Il consomme beaucoup d'énergie grise à la production, et est relativement nocif à la mise en œuvre.
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C'est dans le cas d'autres sollicitations que la matrice intervient, c'est généralement un matériau [https://fr.wikipedia.org/wiki/Homog%C3%A9n%C3%A9it%C3%A9_(mat%C3%A9riau) homogène] et surtout [https://fr.wikipedia.org/wiki/Isotropie isotrope] qui est facile à déposer sur les fibres. En plus de donner une forme consistante à l'objet, elle prend en charge certaines sollicitations, dont généralement le cisaillement et la torsion.<br/>
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===kevlar===
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Usuellement on retrouve des matrices polyester pour le grand public et époxy pour un public un peu plus technique. Récemment on arrive à trouver des résines polyester ou époxy plus ou moins biosourcées, ce qui réduit partiellement l'empreinte environnementale de la fabrication.
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De part sa constitution fibreuse, la réaction d'un composite aux efforts qu'il subira dépend fondamentalement de la géométrie de la pièce et surtout de l'orientation des fibres !
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===Propriété mécanique===
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De part la complexité d'un composite (choix des matériaux, rapport massique fibre/matrice, orientation des fibre, qualité des matériaux ...) ses propriétés sont très variables, c'est pourquoi il est très pratique de faire des essais.
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====Module d'élasticité d'un composite====
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Pour obtenir le module d'élasticité ou module de Young (E(GPa)) on applique la formule suivante:
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Module du composite = Module des fibre * %massique des fibre + Module de la matrice * %massique de la matrice
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==Fibres naturelles==
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Récemment des matériaux naturels apparaissent, on se rend compte qu'elles ont des propriétés mécaniques intéressantes, suffisamment pour l'utilisation dans de nombreuses applications tout du moins.
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La découverte est tardive, et est due au fait, que les fibres longues sont difficiles à obtenir, en particulier à cause de la taille limitée de la plante, et de la qualité des fibres dépendant de la récolte. Aussi suivant certaines plantes ce ne sont que 10 à 50% des fibres qui sont considérées comme "acceptables" pour être vendues, le reste étant réutilisé soit en fibre courte, sois en partant dans le secteur agricole.
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La grande différence avec les fibres classiques, c'est que les fibres naturelles sont composées en interne de plus petites fibres, elles-mêmes composées de plus petites fibres, cela remontant jusqu'à la fibre de cellulose, ce qui fait de chaque fibre, "un composite multi couche". Contrairement aux composites traditionnels qui sont eux un assemblage homogène d'une structure moléculaire bien défini.<br/>
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C'est pourquoi les propriétés mécaniques sont très variables suivant la variété et la récolte, aussi chaque fabriquant détaille généralement les propriétés minimales de ces fibres.
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===[https://fr.wikipedia.org/wiki/Lin_cultiv%C3%A9 Lin]===
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Incontestablement la plus facile à trouver parmi les fibres naturelles. Elles font partie des plus performantes pour les fibres naturelles.
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On en trouve pour 5 à 25€/m² suivant les épaisseurs.
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Une variété nommée le lin "Hermes" est une variété reconnue pour des propriétés mécaniques largement supérieures aux autres variétés.
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On retrouvera ici des essais de traction [[Essai_de_traction_Lin/Epoxy_par_moulle_imprimé_en_3D|avec un mélange Lin-Epoxy]]
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Voici le lien d'un [http://www.f-r-d.fr/resources/File/booklet_frd_2014.pdf catalogue d'un fournisseur pour la R&D] avec plein d'infos très techniques
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===[https://fr.wikipedia.org/wiki/Ramie Ramie/Ortie de Chine]===
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Une fibre qui a un gros potentiel pour les composites. Elle est importée, d'Asie ou encore du Brésil.
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===[https://fr.wikipedia.org/wiki/Chanvre Chanvre]===
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Produite en France et en Chine c'est une fibre relativement facile à trouver.
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On la retrouve dans beaucoup d'applications, comme les cordages, les vêtements, ou encore l'isolation de bâtiments.
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===[https://fr.wikipedia.org/wiki/Jute_(plante) Jute]===
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Produite principalement en Inde, elle est très utilisée dans les cordages ou les sacs et s'exporte massivement.
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===[https://fr.wikipedia.org/wiki/Agave_sisalana Sisal]===
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On trouve très facilement de la corde sisal (même en supermarché), sous forme de fibre maillée et/ou de qualité c'est un peu plus compliqué, elle est néanmoins produite en Afrique, principalement au Mozambique.
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===[https://fr.wikipedia.org/wiki/K%C3%A9naf Kenaf]===
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Très semblable à la jute, elle est principalement produite en Inde et en Afrique.
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===Bambou===
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Les fibres de bambou sont obtenues en décortiquant les bambous.
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===Distributeurs===
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Le groupe [http://www.groupedepestele.com/pro_ecomateriaux_lincoreplaffang.html Depsestelle] commercialise des fibres de lin à stratifier.
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Ils vendent aussi du Lin imprégné de PLA : cela fait un matériau composite directement applicable par thermoformage.
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==Fibres Animales==
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===[https://fr.wikipedia.org/wiki/Soie Soie]===
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Originaire des vers à soie,
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==Fibres classiques (synthétiques)==
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===Verre===
  
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==fibres naturelles==
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On trouve les fibres de verre assez couramment, elles ne sont pas très chères ~5€/m², la plus courante est le type E.
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récement des matériaux naturels apparaissent, qui ont des propriétés macaniques suffisantes pour être utilisés à la place de fibres synthétiques :
 
  
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===lin===
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C'est un dérivé de l'oxyde de silice, comme pour le verre, elle demande donc des minéraux et une énergie grise pour être produite.
  
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le groupe [http://www.groupedepestele.com/pro_ecomateriaux_lincoreplaffang.html Depsestelle] commercialise des fibres de lin à stratifier.
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===Carbone===
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Très performant, mais moyennement souple.
  
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Ils vendent aussi du Lin imprégné de PLA : cela fait un matériaux composite directement applicable par thermoformage.
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Le prix est très variable suivants les types. On est plutôt sur du 25 à 50€/m²
  
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Il consomme beaucoup d'énergie grise à la production, et est relativement nocif à la mise en œuvre.
  
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===chanvre===
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===Aramide/Kevlar===
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===ortie===
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On l'obtient par chimie du carbone. Il est aussi très performant, moins que les fibres de carbone néanmoins.
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Aussi contrairement aux autres fibres, il est beaucoup moins résistant en compression qu'en traction (un facteur 10 à peu près)
  
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quelques ressources sur le sujet :
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On en trouve pour 17€/m²
  
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http://www.f3news.fr/t1936-proprietes-des-materiaux-composites
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Comme pour le carbone il est coûteux en énergie grise, et est aussi relativement nocif à la mise en œuvre.
  
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==Comparatif mécaniques des différentes fibres==
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==Comparatif mécanique des différentes fibres==
  
 
{| class="wikitable sortable" style="text-align:center; width:80%;"
 
{| class="wikitable sortable" style="text-align:center; width:80%;"
 
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!Nom!!Obtention!!Densité (g/cm^3)!!Module d'élasticité (GPa)!!Contrainte de rupture à la Traction(MPa)!!Résistance aux chocs (MPa m^0.5)!!Température maximale (°C)!!Remarques
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!Nom!!Obtention!!data-sort-type="number"|Densité (g/cm^3)!!data-sort-type="number"|Module d'élasticité (GPa)!!data-sort-type="number"|Contrainte de rupture à la Traction(MPa)!!data-sort-type="number"|Température maximale (°C)
 
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|Lin||Biologique||1,5||50-70||500-900||1,5||110||
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|Lin||Biologique||1.54||50-70||600-900||110
 
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|Chanvre||Biologique||1,5||30-60||350-800||1,5||110||
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|Lin Hermes||Biologique||1.54||60-110||600-2000||110
 
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|Kenaf||Biologique||1,3||25-50||400-700||5-15||380||
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|Ramie||Biologique||1,56||61-128||400-1000||400
 
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|Jute||Biologique||1,3||20-50||300-700||5-15||380||
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|Chanvre||Biologique||1.07||30-60||350-800||110
 
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|Sisal||Biologique||1,5||10-30||300-500||20-100||400||
+
|Kenaf||Biologique||1.3||25-50||400-700||380
 
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|Soie||Biologique||1,3||30||1300-2000||1,5||70||
+
|Jute||Biologique||1.44||20-50||393-773||380
 
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−
|Bambou (en fibre)||Biologique||1,4||30-50||500-740||6||120||
+
|Sisal||Biologique||1.45||10-30||350-700||400
 
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|-
−
|Verre||Minéral||2,5||72||1200-1800||0,5||350||
+
|Soie||Biologique||1.3||30||1300-2000||70
 
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|Aramide(Kevlar)||Chimie carbonique||1,4||124||3500||3||250||
+
|Bambou (en fibre)||Biologique||1.4||30-50||500-740||120
 
|-
 
|-
−
|Carbone||Chimie carbonique||1,4||235||4500||1,5||550||
+
|Verre||Minéral||2.54||72||2000-2400||350
 
|-
 
|-
−
|Résine Epoxy*||Chimie organique (bio ou non)||1,4||3500||75-130||0,6||120||
+
|Aramide(Kevlar)||Chimie carbonique||1.44||124||3500||250
 
|-
 
|-
−
|Résine Polyesters*||Chimie organique (bio ou non)||1,3||3000||41-90||1,3||120||
+
|Carbone||Chimie carbonique||1.4-2||235||4500||550
 
|-
 
|-
−
|Aluminium**||Minéral||2,8||70||400-500||30||150||
+
|Résine Epoxy*||Chimie organique (bio ou non)||1.4||3500||75-130||120
 
|-
 
|-
−
|Acier**||Minéral||7,8||200||600-1400||40||350||
+
|Résine Polyesters*||Chimie organique (bio ou non)||1.3||3000||41-90||120
 +
|-
 +
|Aluminium**||Minéral||2.8||70||400-500||150
 +
|-
 +
|Acier**||Minéral||7.8||200||600-1400||350
 
|}
 
|}
  
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.*Les résines ne sont pas des fibres mais les matrices qui les entoures, elle servent juste de comparatif.<br/>
+
.*Les résines ne sont pas des fibres mais les matrices qui les entourent, elles servent juste de comparatif.<br/>
 
.**Ces métaux ne sont pas des fibres, ils sont juste là en comparatif
 
.**Ces métaux ne sont pas des fibres, ils sont juste là en comparatif
  
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[http://www.iar-pole.com/wp-content/uploads/downloads/2014/03/Livret_JEC2014FR.pdf Potentiel liste de fournisseur de résines et fibres biosourcées]
 
[http://www.iar-pole.com/wp-content/uploads/downloads/2014/03/Livret_JEC2014FR.pdf Potentiel liste de fournisseur de résines et fibres biosourcées]
  
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[https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00652477/document
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[https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-00652477/document Thèse sur les matériaux composites à fibres naturelles]
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[http://www.f3news.fr/t1936-proprietes-des-materiaux-composites page d'un forum sur les composites avec quelques infos]
  
 
[[Catégorie:Materiaux]]
 
[[Catégorie:Materiaux]]

Version actuelle en date du 27 juin 2017 à 14:59

Les fibres pour les constructions en composite peuvent être en différentes matières :

Composite

Un composite est un ensemble de deux éléments, un ensemble de fibres enrobées d'une matrice.

On retrouve les bois comme des composites à eux seuls (matériau composite alvéolaire multicouche), en effet ils possèdent des fibres de celluloses et une matrice qui est la sève de l'arbre.
Usuellement on aura un tissu de fibre, qui sera enduit d'une matrice que l'on coulera ou appliquera sur le tissu au pinceau.
On peut aussi trouver les fibres sous forme de "longs cheveux" que l'on appliquera comme un nœud pour joindre deux objets.

Les fibres sont généralement des matériaux extrêmement résistants, mais suivant des sollicitations particulières (traction et compression généralement)

Par exemple le carbone atteint des records en traction, bien plus résistant que de bon aciers, néanmoins, en torsion le carbone est très mauvais, tellement que l'on peut casser des règles en carbone à la main sans trop forcer.

On retrouve deux types de fibres, les longues et les courtes/

  • Les longues, font toute la longueur de la pièce composite, elles ont toutes les propriétés du matériau, ce qui les rend très performantes et utilisées partout.
  • Les courtes, font généralement une dizaine de cm de long, elles permettent la mise en forme du matériau, mais les propriétés sont grandement diminuées par rapport aux fibres longues.

C'est dans le cas d'autres sollicitations que la matrice intervient, c'est généralement un matériau homogène et surtout isotrope qui est facile à déposer sur les fibres. En plus de donner une forme consistante à l'objet, elle prend en charge certaines sollicitations, dont généralement le cisaillement et la torsion.
Usuellement on retrouve des matrices polyester pour le grand public et époxy pour un public un peu plus technique. Récemment on arrive à trouver des résines polyester ou époxy plus ou moins biosourcées, ce qui réduit partiellement l'empreinte environnementale de la fabrication.

De part sa constitution fibreuse, la réaction d'un composite aux efforts qu'il subira dépend fondamentalement de la géométrie de la pièce et surtout de l'orientation des fibres !

Propriété mécanique

De part la complexité d'un composite (choix des matériaux, rapport massique fibre/matrice, orientation des fibre, qualité des matériaux ...) ses propriétés sont très variables, c'est pourquoi il est très pratique de faire des essais.

Module d'élasticité d'un composite

Pour obtenir le module d'élasticité ou module de Young (E(GPa)) on applique la formule suivante: 

Module du composite = Module des fibre * %massique des fibre + Module de la matrice * %massique de la matrice

Fibres naturelles

Récemment des matériaux naturels apparaissent, on se rend compte qu'elles ont des propriétés mécaniques intéressantes, suffisamment pour l'utilisation dans de nombreuses applications tout du moins.

La découverte est tardive, et est due au fait, que les fibres longues sont difficiles à obtenir, en particulier à cause de la taille limitée de la plante, et de la qualité des fibres dépendant de la récolte. Aussi suivant certaines plantes ce ne sont que 10 à 50% des fibres qui sont considérées comme "acceptables" pour être vendues, le reste étant réutilisé soit en fibre courte, sois en partant dans le secteur agricole.

La grande différence avec les fibres classiques, c'est que les fibres naturelles sont composées en interne de plus petites fibres, elles-mêmes composées de plus petites fibres, cela remontant jusqu'à la fibre de cellulose, ce qui fait de chaque fibre, "un composite multi couche". Contrairement aux composites traditionnels qui sont eux un assemblage homogène d'une structure moléculaire bien défini.
C'est pourquoi les propriétés mécaniques sont très variables suivant la variété et la récolte, aussi chaque fabriquant détaille généralement les propriétés minimales de ces fibres.

Lin

Incontestablement la plus facile à trouver parmi les fibres naturelles. Elles font partie des plus performantes pour les fibres naturelles.

On en trouve pour 5 à 25€/m² suivant les épaisseurs.

Une variété nommée le lin "Hermes" est une variété reconnue pour des propriétés mécaniques largement supérieures aux autres variétés.

On retrouvera ici des essais de traction avec un mélange Lin-Epoxy

Voici le lien d'un catalogue d'un fournisseur pour la R&D avec plein d'infos très techniques

Ramie/Ortie de Chine

Une fibre qui a un gros potentiel pour les composites. Elle est importée, d'Asie ou encore du Brésil.

Chanvre

Produite en France et en Chine c'est une fibre relativement facile à trouver.

On la retrouve dans beaucoup d'applications, comme les cordages, les vêtements, ou encore l'isolation de bâtiments.

Jute

Produite principalement en Inde, elle est très utilisée dans les cordages ou les sacs et s'exporte massivement.

Sisal

On trouve très facilement de la corde sisal (même en supermarché), sous forme de fibre maillée et/ou de qualité c'est un peu plus compliqué, elle est néanmoins produite en Afrique, principalement au Mozambique.

Kenaf

Très semblable à la jute, elle est principalement produite en Inde et en Afrique.

Bambou

Les fibres de bambou sont obtenues en décortiquant les bambous.

Distributeurs

Le groupe Depsestelle commercialise des fibres de lin à stratifier. Ils vendent aussi du Lin imprégné de PLA : cela fait un matériau composite directement applicable par thermoformage.

Fibres Animales

Soie

Originaire des vers à soie,

Fibres classiques (synthétiques)

Verre

On trouve les fibres de verre assez couramment, elles ne sont pas très chères ~5€/m², la plus courante est le type E.

C'est un dérivé de l'oxyde de silice, comme pour le verre, elle demande donc des minéraux et une énergie grise pour être produite.

Carbone

Très performant, mais moyennement souple.

Le prix est très variable suivants les types. On est plutôt sur du 25 à 50€/m²

Il consomme beaucoup d'énergie grise à la production, et est relativement nocif à la mise en œuvre.

Aramide/Kevlar

On l'obtient par chimie du carbone. Il est aussi très performant, moins que les fibres de carbone néanmoins. Aussi contrairement aux autres fibres, il est beaucoup moins résistant en compression qu'en traction (un facteur 10 à peu près)

On en trouve pour 17€/m²

Comme pour le carbone il est coûteux en énergie grise, et est aussi relativement nocif à la mise en œuvre.

Comparatif mécanique des différentes fibres

Nom Obtention Densité (g/cm^3) Module d'élasticité (GPa) Contrainte de rupture à la Traction(MPa) Température maximale (°C)
Lin Biologique 1.54 50-70 600-900 110
Lin Hermes Biologique 1.54 60-110 600-2000 110
Ramie Biologique 1,56 61-128 400-1000 400
Chanvre Biologique 1.07 30-60 350-800 110
Kenaf Biologique 1.3 25-50 400-700 380
Jute Biologique 1.44 20-50 393-773 380
Sisal Biologique 1.45 10-30 350-700 400
Soie Biologique 1.3 30 1300-2000 70
Bambou (en fibre) Biologique 1.4 30-50 500-740 120
Verre Minéral 2.54 72 2000-2400 350
Aramide(Kevlar) Chimie carbonique 1.44 124 3500 250
Carbone Chimie carbonique 1.4-2 235 4500 550
Résine Epoxy* Chimie organique (bio ou non) 1.4 3500 75-130 120
Résine Polyesters* Chimie organique (bio ou non) 1.3 3000 41-90 120
Aluminium** Minéral 2.8 70 400-500 150
Acier** Minéral 7.8 200 600-1400 350

.*Les résines ne sont pas des fibres mais les matrices qui les entourent, elles servent juste de comparatif.
.**Ces métaux ne sont pas des fibres, ils sont juste là en comparatif

Liens

Potentiel liste de fournisseur de résines et fibres biosourcées

Thèse sur les matériaux composites à fibres naturelles

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