Fibres(composites)
Les fibres pour les constructions en composite peuvent être en différentes matières :
Sommaire
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