L'aramide est un matériau synthétique organique à haute résistance, à module élevé, à faible densité, à haute résistance à l'usure et à des propriétés chimiques stables.
Le nom complet de l'aramide est fibre de polyamide aromatique. Il s'agit d'un matériau synthétique organique présentant une résistance élevée, un module élevé, une faible densité et une résistance élevée à l'usure, ainsi que des propriétés chimiques stables. En 1974, la Federal Trade Commission (FTC) des États-Unis l'a baptisée « fibre aramide », ce qui signifie qu'au moins 85 % des chaînes amides (-CONH-) relient directement deux cycles benzéniques. Au début des années 1960, DuPont a développé la méta-aramide HF-1, la fibre Nomex, dotée d'une excellente stabilité thermique. Dans mon pays, elle était appelée aramide. Elle a été identifiée comme aramide 14 en 1981 et aramide 1414 en 1985. Étant donné que la fibre aramide présente des défauts à l'usage et que sa résistance diminue au contact de l'eau, l'aramide est généralement transformée en matériaux composites et utilisée comme fibre de renforcement pour s'adapter à différents environnements d'utilisation, et elle peut également améliorer les performances des matériaux.
Classification et propriétés de l'aramide
1.1 Para-aramide Le para-aramide, également connu sous le nom de PPTA (poly-p-phénylèneféréphtalamide), a été développé avec succès en 1971 et mis en production l'année suivante. Sa structure de chaîne principale est très régulière et ses macromolécules sont très étirées. Il résiste aux températures élevées, au feu et à la corrosion chimique, possède d'excellentes propriétés mécaniques et une excellente résistance à la fatigue, et présente une faible densité. Sa résistance est trois fois supérieure à celle de l'acier et quatre fois supérieure à celle d'un fil industriel en polyester haute résistance. Son module initial est de quatre à dix fois supérieur à celui d'un fil industriel en polyester et plus de dix fois supérieur à celui d'une fibre polyamide. Il présente une bonne stabilité, avec un retrait nul à 150 °C, et conserve une résistance élevée à haute température, par exemple 65 % de sa résistance initiale à 260 °C. Il présente une bonne adhérence au caoutchouc et constitue une fibre idéale pour les câbles. On peut citer le Kevlar-49 de DuPont aux États-Unis, le Twaron d'Enka aux Pays-Bas et l'aramide 1414 en Chine.
1.2 Méta-aramide Le méta-aramide, également connu sous le nom de MPIA (poly-m-phénylèneisophtalamide), a été étudié dès 1956 et industrialisé en 1967. Sa chaîne macromoléculaire en zigzag présente d'excellentes propriétés physiques et mécaniques, telles que la résistance et l'allongement après rupture. Ses caractéristiques remarquables sont une excellente résistance au feu et à l'oxydation. Après une utilisation continue à une température de 260 °C pendant 1 000 heures, sa résistance initiale est maintenue à 65 % ; après une utilisation à une température élevée de 300 °C pendant 7 jours, il conserve sa résistance initiale. Il est inflammable et auto-extinguible après avoir quitté la flamme ; il présente une bonne stabilité aux acides, aux alcalis, aux agents de blanchiment, aux agents réducteurs et aux solvants organiques. Il présente également une bonne résistance aux radiations. Ses inconvénients sont les mêmes que ceux du nylon : faible stabilité à la lumière du soleil et difficulté à teindre.
1.3 Comparaison des performances de l'aramide avec d'autres fibres L'aramide présente de bonnes propriétés mécaniques. Comparé aux autres fibres, il présente une résistance aux hautes températures, un faible allongement, un module d'élasticité élevé et une résistance élevée, notamment le para-aramide (fibre Kevlar), qui est encore plus performant.
Préparation de matériaux composites aramides
La fibre d'aramide, comme la fibre de verre, se présente sous différentes formes : fils torsadés, mèches non torsadées, tissus de diverses spécifications, rubans, feutres et fils coupés. Il existe deux principaux types de matériaux composites : les composites à enroulement fibre-fibre et les composites fibre-résine ou caoutchouc.
2.1 Moulage composite fibre à fibre
L'enroulement humide et l'enroulement sec sont les deux principales méthodes de moulage par enroulement de matériaux composites. Le principal avantage de l'enroulement sec réside dans la facilité de contrôle de la teneur en colle. Par conséquent, le moulage des conteneurs composites haute pression s'effectuait jusqu'à présent uniquement par enroulement sec. Cependant, l'enroulement humide présente les avantages d'un faible coût de production, d'une usure réduite des fibres, d'un faible taux de vide et d'une productivité élevée, ce qui lui vaut une large adoption à l'étranger. Mon pays a toujours adopté le moulage à sec et développé des dizaines de formules d'adhésifs pour ce procédé. Certaines formules, telles que les 4304 et 4303A, ont été utilisées avec succès dans les gros moteurs-fusées à propergol solide. Le processus est le suivant : desserrage des fibres d'aramide → mélange → moulage → traitement thermique → meulage → produit fini.
Le moulage par enroulement humide est identique au moulage à sec. La matrice de résine doit posséder certaines propriétés mécaniques. Parallèlement, la viscosité du système matriciel doit être contrôlée dans une certaine plage afin de garantir une imprégnation complète du faisceau de fibres pendant le moulage. Il existe deux méthodes principales pour réduire la viscosité du système : (a) Choisir un diluant actif de faible viscosité. Souvent, la viscosité du système répond aux exigences du procédé d'imprégnation, mais les propriétés mécaniques et la résistance thermique du système sont fortement réduites. Après sélection, un diluant mixte est utilisé et répond dans une certaine mesure aux exigences de conception. (b) Choisir un durcisseur liquide. L'ajout d'un durcisseur liquide peut réduire la viscosité du système de formule dans une certaine mesure. Les recherches sur la formule humide et la technologie de moulage par formule humide des fibres aramides sont insuffisantes, et la technologie de formule humide haute performance est la technologie clé à développer en priorité pour le moulage par enroulement humide.
2.2 Moulage de composites en fibres et résines
La méthode de moulage est identique à celle de la fibre de verre : enroulement, stratification manuelle, imprégnation, mise sous vide, pressurisation et injection, sélectionnables selon les besoins. Les résines souvent utilisées pour les fibres d'aramide sont l'époxy, le phénolique, le polyester insaturé, le vinylester, le polyimide, etc. Ces dernières années, elles sont également utilisées en combinaison avec le nylon, le PBT, etc. Pour étudier les propriétés de traction des composites unidirectionnels à fibres mixtes aramide/polypropylène, Zhang Maolin et al. ont utilisé des fils de filaments d'aramide non torsadés (matériau de renforcement) comme fil de chaîne et des fibres de polypropylène (fibre de matrice) comme fil de trame pour tisser un prépolymère thermoplastique à armure toile. Les matériaux composites ont été fabriqués à des températures et des pressions spécifiques, et la densité des fils de chaîne et de trame a été ajustée pour contrôler la composition du matériau. Les câbles en aramide sont de plus en plus utilisés dans l'industrie des pneumatiques automobiles. La technologie des matériaux composites aramide-caoutchouc connaît un développement rapide. Les fibres d'aramide possédant peu de groupes fonctionnels actifs, leur liaison au caoutchouc est difficile. Pour résoudre ce problème, les mesures suivantes sont généralement adoptées : d'une part, la formule et le procédé d'imprégnation sont ajustés ou améliorés. Actuellement, des adhésifs d'imprégnation à deux bains ou spéciaux sont ajoutés à l'imprégnation à un bain ; d'autre part, des adhésifs sont ajoutés à la formule du composé de caoutchouc. Grâce à la synergie de ces deux aspects, une liaison optimale est obtenue.
Performances et applications des matériaux composites aramides
L'application des matériaux aramides repose principalement sur ses excellentes caractéristiques telles qu'une résistance élevée et un module d'élasticité élevé.
3.1 Champ pare-balles
La haute résistance de l'aramide est plébiscitée par tous les milieux, notamment les militaires. Les casques modernes, apparus dès la Première Guerre mondiale, ont permis de réduire le nombre de victimes parmi les soldats. Après la Seconde Guerre mondiale et jusqu'aux années 1970, les casques pare-balles militaires étaient entièrement en acier, principalement à haute teneur en manganèse ou en acier spécial, et les coques étaient généralement estampées. Les casques en nylon sont principalement utilisés au Royaume-Uni et en Israël. Une couche antichoc en mousse de polyéthylène haute densité améliore le confort. Les casques en aramide sont constitués de plusieurs couches de tissu aramide liées par des résines spéciales et moulées à haute température et haute pression. Développés par DuPont dans les années 1970, ils présentent les avantages suivants : haute résistance, légèreté et excellente protection. Ils sont adoptés par de plus en plus de pays.
La résistance aux chocs balistiques de la fibre aramide est due à sa stabilité thermique supérieure, sa cristallinité élevée, sa structure fortement orientée et ses excellentes performances en traction. Leur température de transition vitreuse élevée et leur excellente stabilité thermique permettent aux fibres aramides d'assurer la stabilité des structures résistantes aux chocs à hautes températures générées par les impacts balistiques. Leur cristallinité et leur orientation élevées produisent un module élevé, garantissant une réponse rapide à la déformation axiale. Leur élasticité élevée et leur allongement moyen confèrent aux fibres aramides une grande ténacité, leur permettant de fonctionner efficacement en cas de rupture longitudinale. Mon pays a mené des recherches sur les plaques pare-balles en aramide et a progressé dans l'optimisation du rapport matrice/fibres.
3.2 Champ de pneus
Le caoutchouc est le principal composant des pneus. Afin d'améliorer leur résistance, le fil d'acier a d'abord été utilisé comme matériau de renforcement dans l'industrie. Cependant, la forte densité du fil d'acier augmente la résistance du pneu, ce qui alourdit la carrosserie et augmente la consommation d'énergie. De plus, la présence de fil d'acier durcit le pneu, le rend plus sensible aux chocs et diminue le confort. La capacité de charge est particulièrement élevée pour les véhicules lourds, et les exigences en matière de pneus sont plus strictes.
Comparé au fil d'acier, le câble en aramide présente les caractéristiques suivantes : résistance aux hautes températures, résistance mécanique élevée, module élevé et faible déformation. Il offre également la flexibilité d'une faible densité relative, une résistance à la fatigue et au cisaillement. Combinant les excellentes performances du fil d'acier, de la rayonne, du nylon et du polyester, il est connu sous le nom de « fil d'acier synthétique ». C'est le matériau de squelette idéal à l'heure actuelle.
Français Les avantages du cordon d'aramide sont les suivants : 1 En tant que cordon, la carcasse du pneu peut être réduite de trois couches à une seule couche, le poids du pneu est réduit, la résistance au roulement du pneu est réduite et la consommation de carburant peut être réduite. 2 L'effet de liaison du cordon d'aramide et du caoutchouc est meilleur que celui du fil d'acier et il n'est pas facilement affecté par l'humidité. 3 Après avoir utilisé l'aramide comme cordon, la rigidité et la résistance à l'usure du pneu sont améliorées et la durée de vie du pneu est prolongée. ④ En raison de la réduction du nombre de carcasses, les performances de conduite et le confort de conduite de la voiture ont été considérablement améliorés.
Cependant, les principaux inconvénients de l'aramide en tant que cordon sont que le coût est trop élevé, la technologie de production est complexe et un équipement spécial est nécessaire pour le traitement.
3.3 Champ de pipeline
La fibre Kevlar est le matériau de renfort idéal pour les tuyaux. De plus en plus de tuyaux automobiles, de tuyaux pour l'industrie chimique et pétrolière, de tuyaux hydrauliques pour l'industrie aéronautique et de tuyaux pour la marine utilisent la fibre Kevlar comme matériau de renfort. Aux États-Unis, Chrysler et Gates utilisent la fibre Kelver comme matériau de renfort pour les tuyaux de refroidissement des automobiles, pour des températures d'environ 150 °C. Aux États-Unis, Gates et Goodall ont utilisé la fibre aramide pour fabriquer des tuyaux de grand diamètre destinés aux centrales nucléaires, aux usines chimiques et à l'exploration pétrolière. Le diamètre intérieur est de 25,4 cm, la longueur de chaque tuyau est de 12 m, la pression de service nominale est de 56 kg/cm² et le rayon de courbure est de 1,5 m.
3.4 Champ de renforcement de la structure du pont
Le tissu en fibre d'aramide offre un large éventail d'applications pour le renforcement des ponts anciens. Pour le renforcement des éléments, il est principalement utilisé pour résister à la traction. Il est généralement utilisé pour les parties en traction des poutres, les parties en cisaillement des poutres et des colonnes, ainsi que pour le renforcement de confinement des colonnes ou des piles de pont. Après l'application de deux couches de fibre d'aramide AFS-40 sur les parties fissurées des piles, la formation de fissures a été maîtrisée et la capacité portante du pont a été considérablement améliorée.
3.5 Domaine électrique et électronique La fibre d'aramide présente d'excellentes propriétés mécaniques, d'isolation électrique, de transmission des ondes et de stabilité dimensionnelle. Elle est utilisée dans les domaines électrique et électronique pour la fabrication de circuits imprimés spéciaux destinés au montage en surface (CMS), l'assemblage de composants microélectroniques, les capots d'antennes radar aéroportées ou satellitaires, les composants structurels fonctionnels d'alimentation d'antennes radar et les composants électriques mobiles. Les surfaces réfléchissantes des antennes paraboliques multiples développées par RCA pour plusieurs satellites sont toutes constituées de matériaux composites renforcés de tissu de fibre d'aramide.
3.6 Domaine des vêtements résistants à la chaleur et de protection
Les matériaux des combinaisons spatiales extravéhiculaires doivent être légers, flexibles, résistants à l'usure et aux chocs, et présenter une bonne durabilité mécanique. Ils doivent également présenter une bonne résistance chimique, thermique et lumineuse, et être capables de résister à divers rayonnements. À des températures ultra-hautes et ultra-basses, ainsi qu'à un rayonnement thermique intense, les différentes propriétés du matériau sont stables. Le tissu en fibre d'aramide est le matériau privilégié.
3.7 Autres domaines
La haute résistance et la faible densité de l'aramide sont utilisées dans divers domaines. Dans le domaine des plaques d'étanchéité, les plaques d'étanchéité en caoutchouc renforcé de fibres d'aramide, fabriquées à partir de fibres d'aramide plutôt que de fibres d'amiante, offrent de bonnes performances d'étanchéité et sont inoffensives pour le corps humain. Dans la recherche sur les plaquettes de frein à disque, l'aramide présente les meilleures performances en termes de perte par frottement et de résistance au cisaillement interne. Son utilisation est prévue pour les freins arrière des voitures et les freins avant des mini-voitures ces dernières années. Dans le secteur naval, les matériaux composites à base d'aramide permettent d'alléger la coque et d'augmenter la vitesse du navire. Dans le secteur des matériaux de construction, l'aramide remplace l'amiante pour renforcer le ciment et les matériaux métalliques afin de créer une structure légère et une structure porteuse à haute résistance. L'aramide peut également être utilisé dans la fabrication de combinaisons spatiales, de combinaisons anti-feu, etc. Il est désormais utilisé en remplacement du fil d'acier pour la fabrication de câbles sous-marins, notamment pour les câbles sous-marins. Des fibres d'aramide sont également ajoutées à l'extérieur des colonnes en béton pour inhiber l'expansion volumique du béton lorsqu'il est endommagé et améliorer sa résistance et sa résistance sismique.
Invention majeure de l'industrie des fibres polymères au XXe siècle, l'aramide est utilisé dans de plus en plus de domaines grâce à sa haute résistance, sa faible densité, sa résistance aux hautes températures et d'autres caractéristiques. La recherche sur ce matériau se concentre principalement sur son utilisation comme matériau de renforcement pour la fabrication de matériaux composites. Cependant, la complexité de sa préparation et de son traitement, ainsi que son coût élevé, limitent son utilisation à grande échelle à l'heure actuelle. Comme les fibres d'aramide présentent peu de groupes fonctionnels et une faible adhérence à la matrice, elles doivent subir un traitement des bords ou l'ajout d'adhésifs. La recherche et le développement de cette technologie pourraient élargir le champ d'application de l'aramide.
