Comparaison des propriétés en résine
Le choix du système de résine à utiliser dans n'importe quel composant dépend d'un certain nombre de ses propriétés, les éléments suivants sont probablement les plus importants dans la plupart des structures composites:
1. Propriétés de liaison
2. Propriétés mécaniques
3. Résistance aux fissures microscopiques
4. Force de fatigue
5. Dégradation de la corrosion de l'eau
Propriétés de liaison
Il a été discuté de la façon dont les propriétés d'adhésion du système de résine sont importantes pour atteindre la gamme complète des propriétés mécaniques du composite. Dans les structures sandwichs, l'adhésion de la matrice de résine au renforcement des fibres ou au cœur est importante.
Les résines en polyester ont généralement les propriétés d'adhésion les plus basses des trois systèmes décrits ici. Les résines vinyles Lester présentent de meilleures propriétés de liaison que les polyesters, mais les systèmes de résine époxy fournissent les meilleures performances de tous les adhésifs et se trouvent donc souvent dans de nombreux adhésifs à haute résistance. Cela est dû à leur composition chimique et à la présence de groupes hydroxyle et éther polaires. Étant donné que les résines époxy guérissent à un faible taux de retrait, les différents contacts de surface établis entre la résine liquide et les adhérences ne sont pas perturbés pendant le processus de durcissement. Les propriétés de liaison des résines époxy sont particulièrement utiles dans la construction de stratifiés en nid d'abeille, où une petite surface de liaison signifie qu'une liaison maximale est nécessaire.
La résistance de la liaison entre la résine et la fibre dépend non seulement des propriétés de liaison du système de résine, mais est également influencée par le revêtement de surface des fibres de renforcement.
Propriétés mécaniques
Deux propriétés mécaniques importantes de tout système de résine sont la résistance à la traction et la rigidité. Les figures 22 et 23 montrent les résultats des tests effectués sur les systèmes de polyester, de vinyle et de résine époxy disponibles dans le commerce guéri à 20 degrés et 80 degrés.
Après une période de durcissement de sept jours à température ambiante, on peut voir que les résines époxy typiques offrent des performances plus élevées en termes de résistance et de rigidité que les polyesters typiques et les esters en vinyle. Les effets bénéfiques du durcissement pendant cinq heures après 80 degrés peuvent également être observés.
La quantité de rétrécissement de la résine pendant et après durcissement est également importante pour les concepteurs et les constructeurs composites. Le rétrécissement est dû au réarrangement et à la réorientation des molécules de résine dans les phases liquides et semi-gel. Les polyesters et les esters en vinyle nécessitent une quantité importante de réarrangement moléculaire pour atteindre un état durci et peuvent montrer un retrait allant jusqu'à 8%. Cependant, la nature différente de la réaction époxy entraîne très peu de réarrangement et l'absence de bi-produits volatils, réduisant le retrait époxy typique à environ 2%. Dans une certaine mesure, l'absence de retrait est responsable des meilleures propriétés mécaniques de l'époxy que le polyester, car le retrait est associé à des contraintes internes qui peuvent affaiblir le matériau.
De plus, le rétrécissement dans l'épaisseur du stratifié conduit à "l'impression" du motif de fibres de renforcement, qui est un défaut cosmétique difficile et coûteux à éliminer.
Fissures microscopiques
La force d'un stratifié est généralement considérée en termes de chargement qu'il peut supporter avant l'échec complètement. Cette résistance ultime ou cette force de rupture est le point auquel la résine présente une fracture catastrophique et les fibres de renforcement se brisent.
Cependant, avant que cette résistance ultime ne soit atteinte, le stratifié atteindra un niveau de contrainte où la résine commencera à se fissurer des couches de renforcement des fibres qui ne sont pas alignées sur la charge appliquée, et ces fissures se propageront à travers la matrice de résine. Ceci est connu sous le nom de «microcassement transversal» et bien que le stratifié n'ait pas encore complètement échoué, le processus de rupture a déjà commencé. Les ingénieurs qui souhaitent une structure durable doivent donc s'assurer que leurs stratifiés ne dépassent pas ce point sous des charges de service régulières.
La souche qu'un stratifié peut réaliser avant la micro-crackage dépend beaucoup de la ténacité et des propriétés de liaison du système de résine. Pour les systèmes de résine fragile, tels que la plupart des polyesters, cela se produit bien avant l'échec du stratifié, et limite donc la déformation que ces stratifiés peuvent résister. Par exemple, des tests récents ont montré que pour les stratifiés itinérants en polyester \/ verre tissés, la microcassement se produit généralement à environ 0}. Dessie à 2%, avec des dommages finaux qui ne se produisaient pas avant 2. 0% de souche. Cela correspond à une force utilisable de seulement 10% de la force ultime. Étant donné que la résistance ultime du stratifié sous tension est déterminée par la résistance aux fibres, ces microfissures en résine ne réduisent pas immédiatement les performances ultimes du stratifié.
Cependant, dans des environnements tels que l'eau ou l'air humide, un stratifié en microfstance absorbera plus d'eau qu'un stratifié sans crampe. Cela entraînera une augmentation du poids, de l'humidité de l'agent de dimensionnement de la résine et des fibres, une diminution de la rigidité et une diminution des performances ultimes au fil du temps.
L'augmentation de l'adhésion de la résine \/ fibre découle généralement de la chimie de la résine et de sa compatibilité avec le traitement de surface chimique appliquée aux fibres. Ici, les propriétés bien connues des adhésifs époxy aident le stratifié à réaliser des souches de microfissure plus élevées. Comme mentionné précédemment, la ténacité à la résine est difficile à mesurer, mais est largement indiquée par sa souche de défaillance ultime. Une comparaison de différents systèmes de résine est illustrée à la figure 25.
Force de fatigue
En général, les composites ont une excellente résistance à la fatigue par rapport à la plupart des métaux. Cependant, comme la défaillance de la fatigue est souvent causée par l'accumulation progressive d'une petite quantité de dommages, le comportement de fatigue de tout matériau composite sera affecté par la ténacité de la résine, sa résistance à la microcassement et le nombre de vides et autres défauts qui se produisent pendant le processus de fabrication. Pour cette raison, les stratifiés de base époxy ont tendance à présenter une très bonne résistance à la fatigue par rapport au polyester et à l'ester vinyle, ce qui est l'une des principales raisons de leur utilisation dans les aérostructures.
Dégradation de la corrosion de l'eau
Une caractéristique importante de toute résine, en particulier dans le milieu marin, est sa capacité à résister à la dégradation par l'eau entrante. Toutes les résines absorbent une certaine eau, ajoutant du poids au stratifié, mais plus important encore, la façon dont l'eau absorbée affecte la résine et la résine \/ fibre liée dans le stratifié, conduisant à une perte graduelle et à long terme des propriétés mécaniques. Les résines en polyester et en ester vinyle sont sensibles à la dégradation de l'eau en raison de la présence de groupes d'ester hydrolysables dans la structure moléculaire.
En conséquence, on peut s'attendre à ce que les stratifiés en polyester mince ne conservent que 65% de leur résistance au cisaillement intercouche après un an d'immersion dans l'eau, tandis que les stratifiés en résine époxy conserveront environ 90% après un an d'immersion.
La figure 26 montre l'effet de l'eau sur l'époxy et les stratifiés en verre tissé en polyester qui ont été immergés dans l'eau à 100 degrés. Cette immersion à haute température donne aux laminates immergées des propriétés de dégradation accélérées.
Perméabilité
Tous les stratifiés dans le milieu marin permettent à de très petites quantités d'eau de les traverser sous forme de vapeur. Au fur et à mesure que l'eau passe, elle réagit avec tous les composants hydrolysables à l'intérieur du stratifié pour former de minuscules cellules de solution concentrée. Dans le cycle osmotique, plus d'eau passe par la membrane semi-perméable du stratifié dans le but de diluer cette solution. Cette eau augmente la pression du fluide à l'intérieur de la cellule à 700 psi. Finalement, la pression déformera ou rompra le stratifié ou le gelcoat et peut entraîner une surface typique de «varice de poulet». Les composants hydrolysables dans le stratifié peuvent inclure la saleté et les débris piégés pendant le processus de fabrication, mais peuvent également inclure des liaisons d'ester dans le polyester durcie et, dans une moindre mesure, des lattes de vinyle.
L'utilisation d'une couche riche en résine à côté d'une couche de gel est essentielle pour que les résines de polyester réduisent ce type de dégradation, mais généralement le seul guérison une fois le processus commence à remplacer le matériau affecté. Afin d'empêcher l'infiltration de se produire en premier lieu, il est nécessaire d'utiliser une résine qui a à la fois une faible perméabilité et une forte résistance à l'érosion de l'eau. Les cloques peuvent être pratiquement éliminées lorsqu'elles sont utilisées en conjonction avec un matériau de renforcement qui a une résistance similaire au traitement de surface et est laminée à un standard très élevé. Les chaînes de polymère avec des chaînes à base d'époxy résistent beaucoup mieux aux effets de l'eau que de nombreux autres systèmes de résine. Ces systèmes se sont avérés avoir une excellente résistance chimique et d'eau, une faible perméabilité d'eau et de très bonnes propriétés mécaniques.
Résumé des propriétés comparatives de la résine
Les résines en polyester, en vinyle et en résines époxy discutées ici représentent probablement environ 90% de tous les systèmes de résine thermodosite utilisés dans les composites structurels. En résumé, les principaux avantages et inconvénients de ces types sont:
Autres résines pour composites
En plus des résines en polyester, en ester vinyle et époxy, de nombreux autres systèmes de résine spécialisée sont utilisés où leurs propriétés uniques sont nécessaires.
Résines phénoliques
Principalement utilisés où une résistance élevée au feu est nécessaire, les résines phénoliques conservent bien leurs propriétés à des températures élevées. Pour les matériaux salés à température ambiante, l'utilisation d'acides corrosifs conduit à une manipulation désagréable. La nature condensée de leur processus de durcissement a tendance à entraîner l'inclusion de nombreux vides et défauts de surface, la résine a tendance à être fragile et a de mauvaises propriétés mécaniques. Coût typique: £ 2-4 \/ kg.
Isocyanate de phényle
Principalement utilisé dans l'industrie aérospatiale. Les excellentes propriétés diélectriques du matériau le rendent idéal pour une utilisation dans les fibres diélectriques faibles telles que le quartz, qui sont utilisées dans la fabrication de radomes. Le matériau est également stable à la température jusqu'à 200 degrés humides. Coût typique: 40 £ \/ kg.
Résines en silicone
Synthetic resins with silicon as the base material rather than carbon as the organic polymer. Good resistance to fire and high temperatures. Requires high temperature curing. Used in missile applications. Typical cost: >15 £ \/ kg.
Polyuréthane
Matériau hautement ductile, parfois mélangé à d'autres résines, en raison de propriétés mécaniques stratifiées relativement faibles en compression. Utilise des isocyanates dangereux comme agents de durcissement. Coût typique: £ 2-8 \/ kg.
Bismaleimide (IMC)
Mainly used in aircraft composites requiring higher temperatures (230°C wet/250°C dry). For example, engine inlets, high speed aircraft flight surfaces. Typical cost:>50 £ \/ kg.
Polyimide
Used where operation at higher temperatures is required than bismaleimide can withstand (use up to 250°C wet/300°C dry). Typical applications include missile and aircraft engine components. Extremely expensive resin (>80 £ \/ kg) avec des matières premières toxiques utilisées dans le processus de fabrication. Les polyimides sont difficiles à travailler en raison de la réaction de condensation qui libère l'eau pendant le processus de durcissement, et sont relativement cassants après durcissement.PMR15 et LARC160 sont les deux polyimides les plus couramment utilisés dans les composites.
Source "Frontières dans les composites"