Essais sur les composites et les plastiques renforcés de fibres de carbone (CFRP)

Une caractérisation mécanique approfondie des nouveaux plastiques et composites est essentielle pour garantir une modélisation efficace et une adoption sûre de ces nouveaux matériaux dans les produits finaux. Les méthodes de test standardisées ASTM pour les plastiques et les CFRP sont largement utilisées pour évaluer ces nouveaux matériaux. Cet eBook décrit l'utilisation des Machines d'Essai Universelles de la Série AGX de Shimadzu pour évaluer les plastiques et les CFRP selon plusieurs méthodes ASTM.

Les plastiques renforcés en fibres de carbone (CFRP) ont été largement adoptés comme matériau dans les derniers cadres d'avions et automobiles. Les CFRP sont particulièrement légers, possèdent une haute résistance spécifique et sont très résistants à la corrosion. Leur utilisation devrait croître dans divers domaines. Particulièrement dans le domaine des transports, les matériaux légers entraînent une consommation de carburant réduite, ce qui est directement lié à la réduction de la charge environnementale. La recherche s'est accélérée dans la quête de matériaux et de méthodes de traitement encore plus performants. Shimadzu fournit une gamme d'instruments et de systèmes pour les évaluations d'analyse, de test et d'inspection (de la préparation à l'analyse des données), contribuant ainsi à résoudre une variété de problèmes à chaque phase, du développement des matières premières CFRP aux évaluations de durabilité des produits.

La cellulose est le principal composant des plantes. C'est aussi le glucide le plus abondant sur terre et a été utilisé comme matière première pour le papier et les textiles depuis l'Antiquité. Ces dernières années, les nanofibres de cellulose (CNF) avec une fonctionnalité supérieure, réalisées par la défibrage de la cellulose au niveau nanométrique, ont attiré une attention considérable. Le CNF a un faible impact environnemental, car il s'agit d'un matériau d'origine végétale, et possède une variété de fonctions souhaitables, y compris une faible expansion linéaire, une propriété barrière aux gaz et une transparence. Il est également léger, pesant seulement 1/5 du poids de l'acier, et affiche une résistance spécifique 5 à 8 fois supérieure à celle des matériaux ferreux. Il est essentiel de clarifier non seulement les propriétés mécaniques statiques des matériaux, mais aussi leurs propriétés d'impact, leurs caractéristiques de fatigue et leurs caractéristiques thermiques. Dans cet article, la résistance à la traction des plastiques renforcés en CNF a été évaluée à différentes vitesses de test (taux de déformation) à l'aide d'une machine d'essai Shimadzu et d'une machine de test d'impact haute vitesse. Les surfaces de fracture des échantillons après les tests ont également été observées à l'aide d'un microanalyseur à sonde électronique (EPMA).

Les CFRP thermoplastiques utilisent des résines qui ramollissent lorsqu'elles sont chauffées, et les résines représentatives utilisées dans ce type couvrent une large gamme, y compris le polyamide (PA), le polycarbonate (PC), le sulfure de polyphénylène (PPS), et d'autres. Bien que les CFRP thermoplastiques soient inférieurs aux CFRP thermodurcissables en termes de résistance et de rigidité, leur capacité de production en masse est excellente et le traitement secondaire est facile. De plus, comme le recyclage est possible, les coûts de production peuvent également être maintenus à un niveau relativement bas. Pour ces raisons, les CFRP thermoplastiques ont attiré une attention considérable en tant que nouveaux matériaux pour réaliser une réduction de poids dans les automobiles de type production de masse. Comme les résines utilisées dans les CFRP peuvent être facilement différenciées par analyse par spectrophotométrie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), la FTIR est un outil efficace pour le contrôle de qualité lors de la détermination des composants de résine des CFRP avant le recyclage. Dans cet article, les CFRP thermodurcissables et thermoplastiques ont été mesurés par FTIR et leurs résines composants ont été différenciées.

Les plastiques renforcés en fibres de carbone (CFRP) ne s'oxydent pas et ne rouillent pas et ont une résistance spécifique et une rigidité supérieures à celles des matériaux conventionnels. Les applications des CFRP sont en cours d'exploration, en mettant l'accent sur les applications en tant que matériaux d'avion nécessitant résistance et durabilité. Cependant, les propriétés mécaniques supérieures des stratifiés CFRP sont limitées à une direction renforcée (parallèle aux fibres), et la résistance des stratifiés CFRP est considérablement réduite dans les directions non renforcées (direction interlaminaire, par exemple). Les stratifiés CFRP sont également sensibles aux impacts, les impacts hors plan causant des dommages internes, tels que le délaminage, aux stratifiés CFRP. La conception et le développement de produits des stratifiés CFRP intègrent donc une conception tolérante aux dommages, qui prend en compte les effets des dommages internes sur la résistance du matériau. La conception tolérante aux dommages doit déterminer à quel point un matériau est résistant à la propagation des fissures interlaminaires, ce qui est réalisé par des tests de ténacité à la fracture.

Les plastiques renforcés en fibres (FRP) ont des propriétés mécaniques supérieures par rapport au poids unitaire par rapport aux matériaux métalliques tels que l'acier et l'aluminium, et sont donc maintenant utilisés comme matériaux de substitution aux métaux dans une variété de produits industriels. Particulièrement ces dernières années, des fibres de carbone de haute qualité, des préimpregnés résine-impregnés contenant ces fibres, et des technologies de moulage avancées ont été développés. En conséquence, les FRP ont maintenant gagné une large acceptation et ont un large historique d'utilisation réelle, et commencent également à être utilisés dans les principales pièces structurelles des avions et des automobiles, où une haute fiabilité est essentielle. Cependant, dans le cas des plastiques renforcés en fibres de carbone (CFRP), qui se composent de fibres de carbone et de résine, en combinaison avec l'existence d'interfaces adhésives, le processus de défaillance a également un mécanisme extrêmement complexe.

La fibre de carbone est un matériau industriel important, étant essentielle dans les plastiques renforcés en fibres de carbone (CFRP), ayant une densité spécifique un quart de celle des aciers normaux, et une résistance spécifique 7 fois supérieure. Dans cette fiche de données d'application,
des exemples de tests de traction de fibres de carbone individuelles basés sur la norme ISO sont présentés.