UNIVERSITE HASSAN II FACULTÉ DES SCIENCES ET TECHNIQUES –MOHAMMEDIA

DEPARTEMENT DE CHIMIE

Master   : Physico chimie et analyses des matériaux

Vérifié par : M.AKSSIRA

Réalisé par :

Chams Eddine Imane El Mottaki Fatima Ez-zahraà

Année Universitaire   : 2012   /2013

FIBRES ARAMIDE

SOMMAIRE   :

Introduction

1. Présentation générale des fibres aramides ...................................41.1 Terminologie et structures chimiques .................................. ………………41.2 Fabrication des fibres para-aramides ........................................................ ..51.3 Production du papier méta-aramide pour structures en nid-d’abeilles. …...51.4 Propriétés générales des fibres para- et méta-aramides ........................ …..7

2. Fibres para-aramides de haut module pour matériaux composites ...........................................................................................82.1 Propriétés mécaniques des fibres para-aramides ........................................82.2 Propriétés des composites à base de fibres aramides et de résines époxydes............................................................................... …………………102.3 Propriétés des composites hybrides............................................................12

3. Spécificité des fibres aramides.....................................................153.1 Action des rayons ultraviolets ...................................................................16 3.2 Reprise d’humidité et résistance à l’eau.....................................................16 3.3 Dilatation thermique...................................................................................17

3.4 Découpage et usinage des composites .......................................................19

4. Présentations industrielles des fils et renforts textiles...............205. Domaines d’applications des composites à renforts para-aramides.............................................................................................225.1 Industrie aéronautique ...............................................................................22 5.2 Industrie de l’armement et réservoirs sous pression .................................23 5.3 Construction navale....................................................................................24 5.4 Articles de sport..........................................................................................25

6. Fibres méta-aramides pour structures en nid-d’abeilles ..........266.1 Du papier méta-aramide au nid-d’abeilles (nida) .................................... ..266.2 Fabrication et propriétés des composites sandwiches ................................286.3 Applications du nida....................................................................................30

Perspective…………………………………………………32

Conclusion…………………………………………………33

Bibliographie

INTRDOCUTION

Les polyamides aromatiques, ou aramides, sont une classe de matériaux

résistant à la chaleur et/ou présentant de bonnes propriétés mécaniques. Ils ne

peuvent être utilisés que comme fibres, qui servent surtout à la fabrication

de matériaux composites, en renfort de  matrices.

Le mot-valise « aramide » vient de la contraction de l'anglais Aromatic

polyamide.

Les fibres sont obtenues par filage (étirage au travers d'une filière) à partir d'une

dissolution. Les chaînes moléculaires sont fortement orientées dans le sens de

l'axe de la fibre, de sorte que les forces des interactions moléculaires peuvent

être exploitées pour la résistance thermique et/ou mécanique.

Les para-aramides sont utilisés dans de nombreuses applications à haute

technologie dans l'aéronautique, l'aérospatiale, la construction navale, le secteur

militaire pour fabriquer par exemple des gilets pare-balles ou des casques. Ces

matériaux se rencontrent aussi dans l'automobile et le sport et loisir.

1. Présentation générale des fibres aramides

1.1 Terminologie et structures chimiques

Le terme aramide est le qualificatif donné aux fibres synthétiques dont le

polymère de base est constitué d’une longue chaîne polymère dans laquelle au

moins 85 % des groupements amides — NH — CO — sont directement liés à

deux noyaux benzéniques (aromatiques).

Les fibres aramides, contrairement à leur ancêtre le Nylon (polyamide

aliphatique) inventé par Dupont de Nemours en 1935, sont donc des polyamides

aromatiques.

Le polymère conduisant aux fibres aramides est obtenu par polycondensation

d’une diamine aromatique et d’un dichlorure d’acide aromatique, la

réaction se faisant dans un solvant organique :

n NH2—Ar1—NH2 + n CICO—Ar 2—COCIDiamine aromatique dichlorure d′acide aromatique

— [NH—Ar1—NH—CO—Ar 2—CO—]n + 2 HCIAmide aromatique = aramide

Ar désignant un noyau aromatique.

La distinction entre para-aramide et méta-aramide est liée à la structure

moléculaire particulière des deux matières de base : diamine et dichlorure

d’acides aromatiques, comme le montrent les formules de la figure 1.

1.2 Fabrication des fibres para-aramides

Le polymère PPD-T (para-aramide) est insoluble dans les solvants

conventionnels. En revanche, il est soluble dans les acides forts comme l’acide

sulfurique concentré.

Une solution de 20 % du polymère dans l’acide sulfurique est anisotrope et se

comporte comme un cristal liquide. Soumis à une extrusion sous forte pression

dans une filière (un capillaire très fin), le polymère s’oriente fortement (figure

2). Cette orientation est conservée après un court passage à l’air libre suivi d’un

trempage dans l’eau froide. La fibre est formée lors de ce filage par voie humide

en jet sec (dry-jet wet spinning) puis lavée, neutralisée, séchée, et finalement

bobinée. La fibre est constituée de filaments d’un diamètre de l’ordre de 12 μm.

La fibre para-aramide ainsi produite est dite bas module (Kevlar 29, Twaron et

Technora ). La version haut module (correspondant aux Kevlar 49 et Twaron

HM ) est produite par étirement à chaud d’une fibre para-aramide voisine du

type bas module, appelée communément précurseur.

1.3 Production du papier méta-aramide pour structures en nid-d’abeilles

La production du papier Nomex nécessite en premier lieu celle du polymère

méta-aramide (figure 1).

À partir du polymère sont produits, par filature, des fils continus ou, pour

fabriquer la bourre entrant dans la fabrication de vêtements de protection

thermique, des fils coupés (fibres courtes).

Figure 1 Réactions de polymérisation conduisant aux deux types de polymères aramides (para et méta)

Figure 2Développement de la structure orientée par le procédé de filage humide en jet sec d’une fibre aramide

À partir du polymère sont produites directement des fibrilles, ou pulpe,

possédant une grande surface de recouvrement. Fibrilles (pulpe) et bourre sont

réunies sur une machine à fabriquer du papier (machine de type Fourdrinier

modifiée). Le papier ainsi formé possède une faible résistance mécanique et une

faible masse volumique.

Une deuxième opération de calandrage à chaud permet d’obtenir un papier ayant

les propriétés mécaniques et diélectriques acceptables pour les utilisations

ultérieures dans les secteurs électrique, électrotechnique et des matériaux

composites (nid-d’abeilles). Une dernière étape consiste à découper les rouleaux

de grande largeur en rouleaux adaptés pour les utilisations industrielles

mentionnées précédemment.

1.4 Propriétés générales des fibres para- et méta-aramides

Les propriétés physiques des fibres aramides sont présentées dans le tableau 1.

2. Fibres para-aramides de haut module pour matériaux composites

Ce paragraphe se limite aux propriétés et utilisations des matériaux

composites renforcés de fibre para-aramide continue de haut module

(Kevlar 49 et Twaron HM ).

Les propriétés mécaniques des matériaux renforcés de mèches, de nappes

unidirectionnelles, de tissus et de systèmes de renforts multifibres

(hybrides) seront présentées sous forme de tableaux. Les propriétés

influencées par différents paramètres tels que la température, l’humidité,

la fatigue, ainsi que le comportement au choc seront également précisés

dans ce qui suit.

2.1 Propriétés mécaniques des fibres para-aramides

La fibre para-aramide, comme la plupart des fibres orientées, présente une

isotropie transversale : les propriétés de la fibre dans un plan perpendiculaire à

son axe sont différentes de celles mesurées dans le sens longitudinal (le long de

l’axe). Il faut donc distinguer les propriétés axiales des propriétés transversales.

Dans le sens transversal, les propriétés sont impossibles à mesurer et sont

déduites de celles déterminées pour des composites à base de renforts

unidirectionnels et de celles des constituants tels que les résines non renforcées.

Les valeurs de ces propriétés à la température ambiante et à 121 °C sont

présentées dans le tableau 2.

Les variations, en fonction de la température, de la résistance en traction et du

module de traction correspondant sont indiquées sur la figure 3.

La figure 4 présente l’évolution de la résistance en traction en fonction du

temps d’exposition à température élevée.

Figure 3 – Propriétés thermomécaniques des fibres para-aramides de haut module

Figure 4 – Résistance en traction à la température ambiante en fonction du temps d’exposition à différentes températures élevées des fibres para- aramides

À titre de comparaison des différents renforts pour composites, le tableau 3

présente les propriétés mécaniques des fibres imprégnées para-aramides, verre et

carbone.

2.2 Propriétés des composites à base de fibres aramides et de résines époxydes

Un grand nombre de publications scientifiques et techniques, ainsi que la

littérature commerciale des producteurs de fibres, de résines et de renforts

textiles, font état des propriétés physiques des matériaux composites à base de

fibres para-aramides de haut module.

Dans certains cas, et malgré l’existence de logiciels de calcul des composites, la

mesure des propriétés mécaniques d’un produit de conception donnée sera une

aide précieuse, sinon nécessaire, avant la production d’une pièce en série.

Celles-ci sont en effet étroitement liées aux types de résine et de renfort, et à leur

taux, et finalement à la technique de mise en œuvre.

Les deux types de renfort les plus courants sont les nappes unidirectionnelles

(UD) et les tissus de différentes contextures textiles. Les résines le plus

largement utilisées sont les résines époxydes pour le secteur aéronautique et la

fabrication des bouteilles pression et des articles de sport. Dans la construction

navale, les résines de polyesters insaturés sont mieux adaptées aux techniques de

moulage au contact et au procédé RTM.

Le tableau 4 rassemble les propriétés physiques les plus utiles pour le

calcul et la conception de pièces soumises à des contraintes mécaniques. Il

apparaît que, si la fibre aramide apporte une résistance en traction et un module

d’élasticité élevés, avec une faible densité, la résistance à la compression en

revanche est plus modeste, comparée à celle des composites renforcés de fibres

de verre ou de carbone, ce qui exclut souvent le choix de la fibre aramide par

rapport aux deux autres fibres concurrentes. Cela est dû à la grande linéarité de

l’orientation du polymère aramide lors de l’opération de filage. Les fibres de

verre et de carbone possèdent des zones cristallines qui leur confèrent un

meilleur équilibre entre les propriétés en traction et celles en compression, deux

modes de déformation que l’on retrouve simultanément dans la déformation par

flexion.

Alors que la courbe contrainte-allongement est quasi linéaire en traction,

comme le montre la figure 5, celle obtenue en compression en revanche ne l’est

que pour des taux d’allongement faibles. Le mode de rupture en compression

consiste en un flambage de chaque fibre aramide. Le matériau se comporte

durant la déformation et lors de sa rupture de manière similaire à l’aluminium.

Cette caractéristique et, à bien des égards, cette faiblesse, peut être un

atout pour des structures anti-crash, voire pour la protection de renforts à base de

fibres de carbone, cassantes par nature. D’où l’intérêt que présentent les

systèmes de renforts pour composites hybrides, comportant à la fois des fibres

aramides et des fibres de carbone.

2.3 Propriétés des composites hybrides

Le tableau 5 présente les propriétés des composites hybrides unidirectionnels.

Pour ceux contenant des tissus de renforts hybrides carbone/aramide, le module

de traction obéit à la loi des mélanges comme l’illustre la figure 6. En général,

le meilleur compromis entre les diverses propriétés mécaniques telles que les

modules de traction et de compression, la résistance au choc, est observé pour

un rapport en volume de fibres d’environ 75/25 respectivement de carbone et

d’aramide. Les systèmes hybrides inter plis sont également plus performants que

les systèmes intra plis (deux fibres au sein du même renfort plan).

Leur faible masse volumique et leur haute résistance en traction ont permis

aux fibres para-aramides de bas module (Kevlar 29, Twaron ) d’acquérir une

notoriété dans le domaine de la protection balistique souple (gilets pare-balles)

ou rigide (casques et panneaux).

Les fibres para-aramides de haut module jouent un rôle similaire dans la

protection de pièces composites structurales à base de fibres de carbone dont la

résistance aux endommagements et au choc doit être améliorée. Cette protection

est illustrée par les courbes présentées sur les figures 7 et 8 relatives d’une part

à l’énergie nécessaire pour pénétrer un stratifié et d’autre part à la résistance en

traction résiduelle après la chute d’une bille d’acier de 6,4 mm de diamètre à

différentes vitesses d’impact.

Figure 5 – Comportement en flexion des compositesunidirectionnels à base de résine époxydeavec différents renforts fibreux (carbone,

Figure 7 – Variation de l’énergie de pénétration d’une bille dans un stratifié isotrope pour différents types de renfort

Figure 6 – Variation du module de traction de compositeshybrides carbone/aramide en fonction des taux volumiquesdes deux types de fibres de renfort

Figure 8 – Résistance en traction résiduelle, après l’impact d’une bille d’acier, d’un stratifié avec différents renforts

3. Spécificité des fibres aramides

— La dégradation par les rayons UV,

— la reprise d’humidité,

— la dilatation thermique et son influence sur la formation de microfissures

dans les résines

— les opérations de découpage et d’usinage des matériaux composites,

sont soit de faux problèmes (ou à ne considérer que dans des cas d’utilisations

très spécifiques), soit souvent mal comprises par manque d’informations

pertinentes ou par méconnaissance des solutions palliatives.

3.1 Action des rayons ultraviolets

Comme les autres polymères organiques et, de plus, aromatiques, le polymère

aramide (en particulier le paraphénylènetéréphtalamide) et donc les fibres qui en

sont issues, sont sensibles à l’action des rayons ultraviolets. Une exposition

prolongée aux UV (soleil et lumière intense) peut causer un changement de

couleur de la fibre, voire dans certains cas une perte de ses propriétés physiques.

Dans la majorité des cas, la dégradation de la fibre en surface fait écran et

empêche une action plus importante des UV. Cette dégradation n’est pas

observée dans les matériaux composites, la fibre aramide étant protégée par la

résine et bien souvent par les divers enduits et peintures que l’on applique sur les

pièces composites. Pour preuve, l’utilisation depuis de nombreuses années des

matériaux composites aramides dans les domaines aéronautique et spatial.

3.2 Reprise d’humidité et résistance à l’eau

Une caractéristique propre aux polyamides, et donc aux fibres aramides, est leur

reprise d’humidité plus importante que celle des fibres de carbone et de verre.

Le taux d’absorption d’eau varie avec le taux d’humidité et la température du

milieu environnant (figures 9 et 10).

Cette sensibilité à l’humidité des fibres aramides n’a pas été un frein à leur

utilisation au sein des matériaux composites aéronautiques et marins. En effet, la

résine joue là un rôle essentiel et il faut tout au plus s’assurer que son taux

d’humidité soit inférieur à 2 % en masse pour la fabrication des pré imprégnés à

usage aéronautique, et inférieur à 1 % pour l’utilisation de systèmes époxydes

mettant en jeu un durcisseur anhydride d’acide organique (et mis en œuvre par

enroulement filamentaire par voie humide). Dans les deux cas, un séchage avant

les opérations d’imprégnation est une pratique courante dans l’industrie.

Toutefois il faut garder en mémoire que les résines époxydes et polyesters sont

également sensibles à l’humidité : leur reprise d’eau est à l’équilibre (conditions

de service en extérieur) de l’ordre de 2 et 3 % respectivement, et il n’est donc

pas toujours nécessaire de sécher outre mesure la fibre para-aramide pour la

mise en œuvre des matériaux composites. Actuellement, le taux d’absorption

d’humidité des fibres para-aramides Kevlar 49 et Twaron HM est de l’ordre de 2

à 3 % (en masse) dans les conditions habituelles d’humidité atmosphérique et de

température.

3.3 Dilatation thermique

Les coefficients de dilatation thermique linéique sont donnés dans le tableau 6

pour les fibres aramides, de carbone et de verre, et pour les systèmes composites

unidirectionnels à matrice époxyde. Pour la fibre para-aramide en particulier, la

différence entre les coefficients de dilatation thermique dans le sens longitudinal

(axial) et dans le sens perpendiculaire (transversal) est plus importante que la

différence entre ceux correspondants à la fibre de carbone et de verre.

Cela est à l’origine d’un problème qui a fait couler beaucoup d’encre dans les

années 85, à savoir la formation de microfissures au sein des résines époxydes

de pièces composites d’avions civils soumises à des chocs thermiques fréquents,

de 20 à 40 °C au sol à – 40 à – 50 °C à l’altitude de 10 000 m. La variation

dimensionnelle de la fibre dans le sens transversal engendre des contraintes

mécaniques internes qui se libèrent par la formation de microfissures dans la

résine environnante. Ce phénomène existe aussi pour la fibre de carbone, mais

les effets se développent plus lentement.

Pour les composites sandwiches comportant une âme du type nid-d’abeilles

(nida) Nomex et, de plus, des peaux de surface à base de tissu aramide/résine

époxyde, ces microfissures avaient permis le passage et l’accumulation de l’eau

dans les alvéoles du nida. Cette eau, par ailleurs, s’était crée un passage au

travers des fissures des couches d’apprêt et de peinture. La nature fragile de ces

couches de surface a été révélée lors de leur expertise. Finalement, diverses

études ont permis de démontrer que la présence de microfissures n’affectait en

rien les propriétés mécaniques à long terme des pièces composites.

Ce problème de reprise d’eau ne s’est pas posé en Europe et, cela pour deux

raisons : l’étanchéité des composites sandwiches, obtenue avec des peaux

comportant au moins trois plis, et l’utilisation de peintures plus résiliantes à base

de polyuréthane.

Figure 9 – Absorption d’eau d’une fibre para-aramide en fonction du temps de séjour dans l’air ambiant

Figure 10 – Absorption d’eau à l’équilibre d’une fibre para-aramide en fonction de l’humidité de l’air ambiant

3.4 Découpage et usinage des composites

Un des reproches que l’on fait à la fibre aramide et aux composites de

même nom est la difficulté rencontrée pour découper les renforts secs et pour

détourer, percer et poncer les pièces composites. Ces problèmes sont inhérents à

la fibre aramide : polymère très orienté et de nature non abrasive et non

cassante, comparée au verre et au carbone. La plus faible adhérence des résines,

la dilatation thermique de la fibre aramide (lors de l’échauffement consécutif à

L’action d’un outil) et sa faible conductivité thermique apportent des difficultés

supplémentaires. Néanmoins, la découpe et l’usinage des matériaux aramides

sont possibles. Au cours de ces dernières années, les producteurs de fibres (tout

particulièrement Du Pont) ont mis au point des outils et des méthodes facilitant

les opérations de découpage et d’usinage. En règle générale, les outils doivent

être tranchants et très durs (endurcis avec une couche de carbure de tungstène),

et leur géométrie telle que les fibres soient maintenues sous tension pour faciliter

leur découpe par cisaillement. Le découpage et l’usinage des composites

aramides, les outils et les méthodes les plus appropriés ont fait l’objet d’un

article que le lecteur est invité à consulter.

4. Présentations industrielles des fils et renforts textiles

Les fils et stratifils (rovings) en fibre para-aramide, disponibles sous les noms

de marques déposées Kevlar 49 (Du Pont) et Twaron HM (Akzo) sont présentés

dans le tableau 7.

En général, les fils de titres 200 à 1 200 dtex sont utilisés pour le tissage de

renforts textiles destinés en majorité au secteur aéronautique.

Ces derniers sont en fait mis en œuvre sous forme de pré imprégnés qui, en

dernier ressort, seront polymérisés par la méthode du sac à vide en autoclave.

Les renforts secs sont utilisés en majorité dans la construction navale,

secteur industriel pour lequel les méthodes d’imprégnation par voie humide

(moulage au contact, enroulement filamentaire, RTM) sont prépondérantes. Les

fils de 1 500 à 2 500 dtex entrent dans la composition de renforts textiles pour la

construction navale, les articles de sport ; les rovings de 5 000 à 8 000 dtex sont

utilisés pour la technique d’enroulement filamentaire (bouteilles pression, coupe

circuits et tubes) pour l’industrie électrotechnique.

Les tissus de renfort le plus couramment utilisés dans l’industrie des

composites hautes performances sont présentés dans les tableaux récapitulatifs

8, 9 et 10. Ces renforts textiles, ainsi que leur version pré imprégnée pour

certains, sont commercialisés par de nombreuses sociétés spécialisées (se

renseigner auprès des producteurs de fibres).

5. Domaines d’applications des composites à renforts para-aramides

La fibre aramide est employée, au même titre que les fibres de carbone et de

verre, dans la fabrication de matériaux composites pour l’industrie aéronautique,

l’armement, la construction navale, les articles de sport, ainsi que dans d’autres

domaines encore comme l’automobile de compétition, etc.

Elle entre aussi dans la conception de composites multifibres (hybrides), ces

derniers offrant bien souvent le meilleur compromis coût /performance.

5.1 Industrie aéronautique

Aujourd’hui, la part des matériaux composites dans les avions civils tels que

l’Airbus A-310 atteint 10 % en masse. Ce pourcentage est de 15 % pour un

avion turbopropulseur de transport régional comme l’ATR-42 et avoisine 35 %

pour un hélicoptère militaire tel le Tigre. Les fibres aramides sont utilisées dans

de nombreuses pièces, en général faiblement sollicitées (structures secondaires)

comme les volets, les carmans, le ventre mou, etc. La figure 11 en donne une

illustration. Signalons l’utilisation de renforts aramides dans les radômes à base

de nida Nomex pour leurs bonnes propriétés diélectriques.

La fibre aramide est également choisie pour les bords d’attaque des ailes

afin d’améliorer la résistance de celles-ci aux impacts d’oiseaux et ainsi de

protéger les réservoirs de carburant logés dans les ailes.

Les nouvelles exigences anti feu pour l’intérieur de la cabine des passagers ont

amené les constructeurs à adopter des systèmes hybrides à base de fibres

d’aramides et de verre ou de carbone.

Cette démarche a été poursuivie pour certaines pièces extérieures, conçues à

l’origine avec la fibre aramide seule, et cela à la suite du traumatisme créé par le

phénomène de formation de microfissures.

5.2 Industrie de l’armement et réservoirs sous pression

Les fibres aramides alliant à la fois une bonne résistance en traction, un bon

allongement à la rupture, une faible densité, et surtout une bonne résistance au

fluage et à la fatigue (traction), sont très appréciées pour les pièces réalisées par

enroulement filamentaire telles que :

— les systèmes d’arme (tubes de lancement et renforts pour l’amunition solide

des roquettes) ;

— les capacités pression (réservoirs de carburant de fusée ou de système de

mise en orbite des satellites).

Enfin les fibres aramides servent aussi de renfort pour des bouteilles

pression d’appareils de protection respiratoire et de stockage de gaz naturel

(réservoirs pour les autobus urbains).

Figure 11 – Différents matériaux composites présents dans un ATR-42 (document

Aérospatiale)

5.3 Construction navale

Les coques des voiliers de compétition comme les maxi coques de 24 m sont

construites en matériaux composites : une structure sandwich en nida Nomex,

des peaux en fibres de carbone (nappes unidirectionnelles) et, en surface, un

tissu en fibre aramide. Ce dernier permet, entre autres, de protéger les fibres de

carbone contre les chocs et les endommagements.

Dans le domaine de la navigation de plaisance, on retrouve la fibre aramide,

mais les raisons techniques de son emploi ne sont pas toujours évidentes.

Des renforts hybrides à base de fibres aramides et de verre sont régulièrement

utilisés pour la construction des coques et des superstructures de bateaux

patrouilleurs de sauvetage, de yachts de luxe, de catamarans de transport de

passagers.

Pour ces dernières applications, des gains de poids sont réalisés par rapport à des

structures composites à fibres de verre uniquement. Par ailleurs, l’ensemble de

la structure gagne en robustesse, chose appréciable pour des bateaux destinés à

être utilisés pendant de nombreuses années, contrairement à ceux de compétition

pour lesquels la performance à court terme est recherchée. Du Pont a fait des

études dans le domaine de la construction navale en étroite collaboration avec

les sociétés de classification telles que le Lloyd’s Register of Shipping, le

Bureau Veritas et le Det Norske Veritas.

5.4 Articles de sport

Le Kevlar a été utilisé et l’est encore dans les canoës et kayaks pour sa légèreté,

sa résistance structurale et sa tenue au choc. On en met aussi dans les skis pour

sa capacité à absorber les vibrations, chose très appréciée par les skieurs désirant

à la fois performance et confort (figure 12). On l’emploie également dans les

raquettes de tennis et les bâtons de ski afin de protéger les fibres de carbone,

mais aussi, en faible quantité, dans de nombreux articles dans lesquels la

présence d’une fibre « high-tech » est un facteur de vente.

Figure 12 – Coupe transversale d’un ski alpin Rossignol

6. Fibres méta-aramides pour structures en nid-d’abeilles

6.1 Du papier méta-aramide au nid-d’abeilles (nida)

La résistance et le module d’élasticité en traction de la fibre continue méta

aramide étant faibles, cette dernière n’est pas utilisée en tant que renfort pour les

matériaux composites au même titre que la fibre para-aramide. En revanche, elle

constitue la base de deux ingrédients nécessaires à la production du papier méta-

aramide connu depuis plus de vingt ans sous le nom de marque Nomex.

Le papier Nomex est utilisé dans l’isolation électrique et pour la production de

structures alvéolaires similaires au nid-d’abeilles que les utilisateurs français

appellent communément nida.

Le papier est constitué d’un mélange de fibres coupées courtes et de fibrilles de

méta-aramide, regroupées lors d’une opération classique de couchage de papier

par voie humide, et consolidées par calandrage à chaud.

La société DuPont fabrique le papier alors que les sociétés Ciba, Hexcel, Euro

Composites, Schutz, produisent en Europe des structures avec âme en nida.

On fabrique généralement les âmes en nida en appliquant des lignes parallèles

d’adhésif sur des feuilles de papier déroulées, à l’aide d’un procédé

d’héliogravure. Ces feuilles sont ensuite empilées et pressées à chaud pour que

polymérisent les lignes de colle. Par la suite, elles subissent une expansion lors

de laquelle les zones sans adhésif s’ouvrent pour former des cellules

hexagonales ou d’autres formes géométriques. Le bloc expansé est alors trempé

dans un bain de résine phénolique qui est ensuite cuite au four. On répète cette

opération jusqu’à ce que le nida atteigne la masse volumique requise. Par la

suite, on procède au découpage des blocs en « planches » d’épaisseurs requises

(figure 13).

Les nidas sont disponibles en différentes densités, tailles et formes de cellules.

Les propriétés physiques des nidas à cellules hexagonales sont rassemblées dans

le tableau 11. Les structures nidas sont légères et possèdent une grande

résistance tant mécanique qu’au choc. Elles sont donc utilisées dans les

applications pour lesquelles la légèreté associée à la robustesse sont très

recherchées, voire nécessaires. L’industrie aéronautique, comme nous le verrons

plus loin, en fait un très grand usage.

Figure 13 – Étapes successives de la fabrication d’un nida à partir de papier méta-aramide

La nature non métallique du nida apporte la résistance à la corrosion, en

particulier à la corrosion galvanique engendrée par la présence d’inserts

métalliques de fixation, et permet l’utilisation de stratifiés à base de fibres

conductrices telles que les fibres de carbone.

La faible dilatation thermique, la faible conductivité thermique, la bonne

résistance à la chaleur et au feu permettent aux nidas de remplir de nombreuses

exigences des cahiers des charges au-delà des considérations mécaniques pures

(tableau 12).

De plus, les panneaux sandwiches à structure alvéolaire en Nomex peuvent

être façonnés sous n’importe quelle forme, aux dimensions voulues, sans perte

de leurs propriétés.

6.2 Fabrication et propriétés des composites sandwiches

La structure sandwich qui consiste à coller de part et d’autre d’une âme de

faible densité (balza, mousse, nid-d’abeilles en aluminium, Nomex,

verre/époxyde) des peaux fines et rigides (bois en lamelles, feuille d’aluminium

stratifiée) (figure 14) offre un rapport résistance/ poids très élevé, comme

l’illustre la figure 15.

L’âme supporte les forces de cisaillement, tandis que les peaux sont

soumises aux contraintes de compression et de traction (figure 16). Les

caractéristiques des âmes en papier méta-aramide font de ce dernier un produit

de choix pour les applications où un maximum de résistance pour un poids

minimal est recherché.

Pour l’aéronautique, les transports ferroviaires et marins, et pour de

nombreux articles de sport tels que les skis, le nida Nomex offre un ensemble de

propriétés mécaniques et fonctionnelles très intéressantes.

Figure 14 – Éléments constitutifs d’un panneau sandwich en nida

Figure 15 – Exemple de renforcement et de rigidification d’une structure composite en nida Nomex, sans augmentation significative du poids final

Figure 16 – Répartition des contraintes au sein d’un panneau sandwich

Les propriétés du nida, comparées à celles d’autres âmes pour composites

sandwiches tels que l’aluminium, le balza et la mousse PVC, sont données sur

la figure 17.

6.3 Applications du nida

À cause de son prix plus élevé que celui d’autres âmes pour composites

sandwiches, le nida a été et est toujours utilisé principalement dans le secteur

aéronautique.

C’est en novembre 1970 que les premiers planchers en nida Nomex et

peaux en tissu carbone/époxyde ont équipé un VC 10 de la BOAC. Les

problèmes rencontrés par Rolls-Royce avec les pales en fibres de carbone pour

le moteur RB-211 ont conduit le motoriste à revenir au titane. Le poids

additionnel consécutif à cette décision a été compensé par l’allégement des

planchers jusqu’alors constitués d’un sandwich : âme en balza et peaux en

aluminium. Le papier méta-aramide a été retenu plutôt que l’aluminium pour

éviter une corrosion galvanique liée à la présence de peaux en fibres de carbone,

donc conductrices d’électricité.

Les planchers d’avions en nida Nomex équipent la plupart des avions

modernes depuis plus de vingt ans. Cette application demeure la plus importante

quant au volume.

Figure 17 – Propriétés mécaniques comparées de différentes âmes pour composites sandwiches

Le nida Nomex est également utilisé pour tous les panneaux

d’aménagement intérieurs : panneaux de fenêtres, plafonds, coffres à bagages,

ainsi que pour tout l’ameublement des offices et des cuisines. À l’extérieur de

l’avion, on trouve du Nomex dans de nombreuses pièces telles que gouvernails,

élévateurs, volets, carénages, et dans les pales d’hélicoptères.

On commence à utiliser le nida Nomex pour l’aménagement intérieur des

trains rapides et de bateaux de plaisance de luxe, afin de gagner en légèreté. Les

coques des voiliers de compétition tels que les maxicoques de l’America’s Cup

sont construites en nida Nomex et peaux en fibre de carbone avec, pour la

plupart, une protection externe à base de tissu para-aramide tel que le Kevlar.

Signalons enfin l’utilisation de Nomex dans de nombreuses pièces de carrosserie

de voitures de compétition, allant de la Formule 1 à la voiture de rallye, ainsi

que dans les articles de sport tels que les skis alpins ou de fond.

Perspective

Avantages

•Haute résistance à la traction.

•Module d’élasticité élevé

•Excellent facteur d’amortissement des vibrations.

•Faible densité:1.44 g/cm3

•Excellente stabilité thermique : -70 °C à+ 180°C

•N’entretient pas la combustion, ne fond pas, carbonisation à425°C

•Bonne résistance à la fatigue

•Excellentes propriétés diélectriques. Matériau non conductible.

•Bonne résistance chimique aux carburants, à l’eau de mer (sauf acides et bases

forts)

•Prix intermédiaire (2 à3 fois moindre que celui des fibres de carbone)

Inconvénients

•Très faible résistance à la compression.

•Reprise d’humidité importante (4% environ).

•Faible adhérence avec les résines d’imprégnation.

•Sensibilité aux ultraviolets.

•Prix intermédiaire 10 fois celui des fibres de verre E.

•Usinage délicat des matériaux ainsi renforcés.

CONCLUSION

Comme nous avons pu le voir tout au long de ce rapport, l’utilisation des

fibres aramide dans différents domaines tels que la construction navale, les

industries aéronautiques, les industries de l’armement, les réservoirs sous

pression et pour les articles de sport…a connue une évolution croissante au

cours des années.

L’approche s’est faite en quatre étapes :

Présentation générale des fibres aramides qui se résume dans les

structures chimiques, fabrication des fibres para-aramides et les propriétés

générales des fibres para- et méta-aramides.

Spécificité des fibres aramides.

Présentations industrielles des fils et renforts textiles.

Domaines d’applications des composites à renforts para-aramides

BIBLIOGRAPHIE

http://fr.wikipedia.org/wiki/Aramide

https://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:DtEo1v1xNncJ:www.cours.polymtl.ca/mec6306/Fibresaramide.pdf+aramide&hl=fr&pid=bl&srcid=ADGEESjXyVxCeaGrAbhyEa4QIL_wgprZNZJ6LI9mLgdi0hVru39M00Si0UOrRDV_PS2A00wZO7suZOOv5TlupSOLZ08ow1OJt76T0qJ3qQFiRwX7E_ZvPVqco4B1Hj_w1Wk47QYECt13&sig=AHIEtbQJ_k-6h6L5ziuyiYaUg_drxhhbgQ

https://docs.google.com/viewer?a=v&q=cache:OkUa2vfB9uIJ:www.patrick-roch.com/ingemeca/docs/_genie_mecanique/Mat%25E9riaux/Plastiques%2520et%2520composites/Composites/Charges%2520et%2520fibres%2520de%2520renforcement/Fibres%2520aramides%2520pour%2520mat%25E9riaux%2520composites.pdf+fibres+aramide&hl=fr&pid=bl&srcid=ADGEESh2yD6YF4habySnUdkvVqkCw0JSIMtOIhzfxmgJyvv8ciIMSG1ATXwZFaE7YY3EZC_oQBoO_oZd8hXP4M-

sy9C0wWS6nB1Y_dA6nmvw6ChrUZloEVO9rtdDuMA8UzOmxlWnofp&sig=AHIEtbROZkEJyEkZ-pbATPhXMm0PYcU8cQ