Découvrez les composites à fibres aramides, notamment leur résistance aux chocs, leur légèreté, leur rigidité, leur résistance à l'abrasion et leurs principales applications militaires et industrielles.
La fibre d'aramide, également connue sous le nom de « poly(p-phénylène téréphtalamide) », possède d'excellentes propriétés telles qu'une résistance ultra-élevée, un module élevé, une résistance aux températures élevées, une résistance aux acides et aux alcalis et un poids léger. La fibre aramide a été développée et commercialisée avec succès dans les années 1960 par DuPont (sous le nom commercial Kevlar) et donc, avant l'avènement de la fibre de carbone, la fibre aramide dominait le marché des fibres haute performance.
1. Un bref historique du développement de la fibre aramide
Dans les années 1960, DuPont a été la première entreprise au monde à introduire et à produire de la fibre aramide sous la marque déposée Kevlar. La fibre d'aramide est vendue sur le marché depuis 1973. L'aramide a été découvert par une chimiste d'origine polonaise, Stephanie Kwolek, qui menait des recherches dans l'espoir de trouver un matériau léger et exceptionnellement résistant pour remplacer le nylon dans la fabrication des pneus.
L’inventrice de la fibre Kevlar – Stephanie Kwolek, chimiste d’origine polonaise
Aujourd'hui, le matériau composite aramide le plus connu est la fibre Kevlar de DuPont. Au fil du temps, d'autres fournisseurs ont également fourni de l'aramide sous différentes appellations commerciales, notamment : Nomex de DuPont, Twaron et Technora de Teijin au Japon, Arawin de Toray de Corée du Sud, Kolon de Heracron de Corée du Sud et certains produits d'entreprises chinoises.
Par conséquent, tout matériau appelé Kevlar, Twaron ou Nomex fait en fait référence à l'aramide, qui possède des propriétés spéciales, notamment une excellente résistance aux chocs et à l'abrasion, une résistance aux températures élevées et un faible poids. En raison de ces caractéristiques, ce matériau est fréquemment utilisé dans l’armée, l’armée de l’air, les sports nautiques et automobiles, ainsi que dans la fabrication de pneus, de vêtements, de gants de protection et bien d’autres applications.
Gants de protection en fibre d'aramide
2.1 Résistance élevée aux chocs et aux fissures
La fibre aramide a une excellente résistance aux chocs et ne se fissure pas sous la pression en raison de sa ténacité et de sa capacité à absorber une grande quantité d'énergie. Il est largement utilisé dans la fabrication de gilets pare-balles, de bateaux, de kayaks et de blindages pour composants de véhicules militaires. La résistance aux chocs des composites en fibre d'aramide est cinq fois supérieure à celle des composites en fibre de carbone (testée selon la méthode d'impact par chute de poids). Cette extraordinaire résistance aux chocs ou capacité pare-balles est due aux longues chaînes atomiques qui forment la structure aramide.
Compte tenu de leurs excellentes propriétés de résistance aux chocs, les fibres d’aramide sont largement utilisées dans les applications militaires pour la fabrication de gilets pare-balles et de matériaux pour blindages de chars. Les gilets pare-balles sont généralement constitués d'un matériau composé de dizaines de couches d'aramide (comme le Kevlar), avec une plaque de céramique incluse entre deux couches. Les boucliers de protection utilisés dans certains véhicules blindés sont constitués d'un matériau acier-aramide-acier, qui peut résister à des missiles antichar jusqu'à 700 mm de diamètre.
Les fibres d'aramide sont largement utilisées dans la fabrication des gilets pare-balles.
De plus, en plus de protéger le char lui-même, le bouclier en acier-aramide-acier protège également l'équipage en absorbant l'énergie cinétique générée par les missiles pénétrants. Une autre application du Kevlar concerne le Boeing AH-64, un hélicoptère d'attaque militaire américain équipé de pales de rotor en Kevlar. Ici, le Kevlar offre une protection contre les balles jusqu'à 23 mm de diamètre.
Les fibres d'aramide offrent une protection pare-balles aux hélicoptères.
En raison de sa haute résistance aux chocs, le Kevlar est largement utilisé dans la construction de bateaux et de kayaks, comme les coques des yachts conçus pour la Volvo Ocean Race, l'un des défis sportifs les plus exigeants. La plupart des kayaks hautes performances destinés aux sports nautiques sont fabriqués à partir de fibres d’aramide ou de matériaux composites fibre de carbone/fibre d’aramide.
Les fibres d'aramide protègent les kayaks des dommages.
2.2 Faible densité/faible poids
Les fibres aramides ont un poids extrêmement faible, ce qui constitue un avantage dans la fabrication de matériaux composites. Alors que les composites en fibre de carbone eux-mêmes sont considérés comme très légers, les composites en fibre d'aramide sont environ 20 % plus légers que les composites en fibre de carbone. L'utilisation de tissu aramide dans les matériaux composites augmente la résistance aux chocs et à l'usure, et réduit le poids des composants composites.
La densité de la fibre aramide est d'environ 1,45 g/cm³, tandis que la densité du matériau composite aramide-résine époxy est d'environ 1,3 g/cm³. Ce calcul est basé sur la densité mixte de résine époxy et de durcisseur (~1,1 g/cm³) et sur la technologie de pointe utilisée dans la production de matériaux composites, à savoir le préimprégné en autoclave. Alors que les composites en fibre de carbone, généralement considérés comme très légers, ont une densité d'environ 1,55 g/cm³, les composites en fibre d'aramide sont 20 % plus légers.
Quel est le poids des composites en fibres d’aramide par rapport à celui des métaux ? L'aluminium pèse 2,7 g/cm³, le titane 4,5 g/cm³ et l'acier 7,9 g/cm³. Par conséquent, les composites en fibres d’aramide sont deux fois plus légers que l’aluminium, trois ou quatre fois plus légers que le titane et six fois plus légers que l’acier.
2.3 Rigidité modérée, entre la fibre de verre et la fibre de carbone
Les composites en fibres d'aramide ont une rigidité plus élevée que les composites en fibres de verre, mais sont nettement inférieures à celles des composites en fibres de carbone. Semblables aux fibres de carbone, les fibres d'aramide se présentent sous de nombreux types, notamment les fibres à module standard, moyen et élevé, qui offrent différentes rigidités et résistances.
La rigidité des différents types de fibres est indiquée ci-dessous :
Tissu en fibre de verre – de 72 GPa (verre E standard) à 87 GPa (tissu de verre à résistance renforcée S) ;
Tissu en fibre de carbone – de 230 GPa (Toray T300) à 588 GPa (Toray HM grade M60J) ;
Tissu en fibre d'aramide – de 96 GPa (aramide standard, c'est-à-dire Kevlar 129) à 186 GPa (aramide utilisé dans l'industrie aéronautique/aérospatiale, c'est-à-dire Kevlar 149).
En résumé, les composites aramide fabriqués à partir de tissus standards ont une rigidité 30 à 40 % supérieure à celle des composites en fibre de verre, mais est 50 % inférieure à celle des composites en fibre de carbone.
2.4 Résistance à l'abrasion
Les composites de fibres d'aramide ont été largement utilisés dans les composants sujets à l'usure, tels que les plaques de protection protégeant les moteurs des voitures de course. L'aramide est couramment utilisé dans les industries extractives (telles que l'exploitation minière) pour renforcer les bandes transporteuses en caoutchouc, garantissant ainsi une résistance et une résistance à l'abrasion plus élevées. Selon le fabricant de Kevlar, ce renfort peut augmenter la résistance à l'abrasion de 50 à 70 %. Grâce à ces propriétés, le matériau peut être utilisé dans les composites ainsi que dans les vêtements de travail, tels que les gants de sécurité résistants aux coupures utilisant des tissus aramide comme le Twaron ou le Kevlar. 2.5 Faible constante diélectrique
Les composites de fibres d'aramide ont une faible constante diélectrique d'environ 3,85 (à 10 GHz), garantissant une bonne pénétration du signal et une bonne résistance à travers le capot de protection/radôme en aramide. Ce type d'antenne est largement utilisé à des fins militaires, comme sur les avions militaires.
Fibres d'aramide utilisées dans les radômes militaires
Les boîtiers/radômes composites en fibre d'aramide protègent les antennes contre les dommages et garantissent de bonnes performances du signal. En revanche, les composites en fibre de verre E offrent une constante diélectrique de 6,1 (à 10 GHz), ce qui entraîne une réduction de 60 % de la puissance et des performances du signal d'antenne. Outre l'aramide, la fibre de quartz est également utilisée, avec une constante diélectrique de 3,78 (à 10 GHz).
2.6 Autres caractéristiques
Les fibres aramides ont de faibles caractéristiques de dilatation thermique, sont très stables à haute température, avec une dilatation thermique presque nulle et un coefficient de dilatation thermique légèrement négatif, équivalent à (-2,4 x 10⁻⁶ /°C). Les fibres aramides sont d'excellents isolants et ne conduisent pas l'électricité.
Une propriété particulière des composites en fibres d'aramide est liée à l'absorption des vibrations, ce qui les rend adaptés à la fabrication de composants résistant aux vibrations, tels que les composants structurels d'avions.
2.7 Composites mixtes avec d'autres tissus
Les tissus en fibre d'aramide peuvent être ajustés paramétriquement selon les besoins pour être utilisés dans les composites en fibre de carbone et les composites en fibre de verre, offrant ainsi aux fournisseurs de produits composites un large éventail de possibilités.
Pour les composites en fibre de carbone, la résistance aux chocs peut être améliorée en ajoutant plusieurs couches de tissu en fibre d'aramide. Les composites hybrides composés de 50 % de fibre de carbone et de 50 % de fibre d'aramide présentent une amélioration de la résistance aux chocs jusqu'à 25 % par rapport aux composites constitués uniquement de fibre de carbone.
Tissu hybride fibre d'aramide-fibre de carbone
