La comparaison des performances entre la fibre de carbone thermoplastique et la fibre de carbone thermodurcissable pour les applications aérospatiales.
Depuis le nouveau millénaire, des progrès significatifs ont été réalisés dans la recherche et l'exploration de divers nouveaux matériaux composites, tels que les composites actuellement populaires en fibre de verre, en fibre de carbone et en fibre d'aramide. Cet article présentera la fibre de carbone et ses composites, connus sous le nom d'« or noir ». La fibre de carbone existe depuis plus d'un siècle et, grâce à son développement continu, elle a progressivement trouvé des applications dans les équipements sportifs et les voitures de course de Formule 1. Actuellement, le matériau principal est constitué de composites de fibres de carbone thermodurcissables, qui comprennent des résines thermodurcissables telles que la résine époxy, la résine phénolique et la résine bismaléimide.
Les composites thermoplastiques en fibre de carbone sont plus adaptés aux applications aérospatiales.
Avec l'augmentation des recherches sur la fibre de carbone et divers plastiques, il a été découvert que l'utilisation de plastiques spéciaux comme matrice en combinaison avec la fibre de carbone permet de mieux exploiter les caractéristiques de haute performance de la fibre de carbone. Si des composites thermoplastiques renforcés de fibres de carbone continues peuvent être produits en masse, l’ensemble du secteur industriel en bénéficiera et les industries haut de gamme telles que les domaines de l’aérospatiale et de la médecine connaîtront une croissance significative. Actuellement, les avantages des composites de résine époxy en fibre de carbone, tels que la haute résistance, le faible fluage, le module élevé et le faible coût, se sont révélés applicables au domaine aérospatial. Cependant, leurs faiblesses sont également évidentes, notamment une grande fragilité, une susceptibilité à la fissuration et des taux d'absorption d'humidité élevés, qui présentent certains risques d'application. L'incorporation de matériaux de matrice thermoplastiques peut remédier à ces défauts de performances et ouvrir de nouvelles possibilités pour les composites en fibre de carbone.
Il existe de nombreux plastiques spéciaux haute performance, tels que le polyéther éther cétone (PEEK), le polyéther cétone cétone (PEKK), le polyéther cétone éther cétone cétone (PEKEKK), le polyéther imide (PEI), le polyphénylène sulfure (PPS) et le polyamide (PA). ). Ces résines matricielles thermoplastiques peuvent offrir une meilleure structure physique et de meilleures propriétés chimiques à la fibre de carbone. En prenant le polyéther éther cétone (PEEK) comme exemple, il a une température de transition vitreuse (Tg) d'environ 150 degrés et un point de fusion d'environ 370 degrés, ce qui améliore considérablement la résistance à haute température des composites en fibre de carbone. De plus, il conserve mieux les propriétés inhérentes de la fibre de carbone, garantissant ainsi une bonne résistance, ténacité, résistance chimique et résistance aux solvants. Le PEEK possède également une excellente stabilité thermique, un caractère ignifuge et une faible constante diélectrique, ce qui en fait l'un des matériaux les plus recherchés pour les futures applications aérospatiales.
Comparaison des performances des fibres de carbone thermoplastiques et thermodurcissables pour les applications aérospatiales
Des équipes de recherche ont mené des études approfondies sur les composites de fibres de carbone thermodurcissables et thermoplastiques pour les applications aérospatiales, comparant les composites de polyéther cétone (PEK) renforcés de fibres de carbone avec des composites de résine époxy renforcées de fibres de carbone.
1. Plaque de polyéther cétone renforcée de fibres de carbone: Ce composite est constitué d'un stratifié composé à 60 % de fibre de carbone et à 40 % de polyéther cétone (PEK). Il comporte dix couches de fibre de carbone bidirectionnelle placées entre onze couches de PEK, avec un film PEK en haut et en bas. Le CF/PEK empilé est pressé à 410 degrés sous une pression de 10 bars pendant 30 minutes.
2. Plaque de résine époxy en Fiber de carbone: Ce composite utilise la résine époxy LY556 comme matériau de matrice, renforcée par un tissu de carbone bidirectionnel. À température ambiante, l'agent de durcissement HY951 est ajouté à la résine époxy, mélangé dans un rapport de 100:12. Le renfort en fibre de carbone est maintenu à 60 % en poids, ce qui donne un stratifié de résine époxy en fibre de carbone d'environ 3 mm d'épaisseur utilisant dix couches de tissu.
3. Méthodologie de test: Des tests de performances mécaniques ont été effectués sur les deux types de plaques en fibre de carbone mentionnés ci-dessus, notamment des tests de traction, des tests de dureté et des tests de ténacité. De plus, des tests de performances thermiques ont été effectués sur les deux plaques en fibre de carbone, notamment des tests de calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et d'indice limite d'oxygène (LOI).
4. Affichage des résultats des tests de performances:
A. Résistance à la traction et module: La résistance à la traction et le module moyens des composites de polyéther cétone (PEK) renforcés de fibres de carbone sont respectivement de 425 MPa et 7,8 GPa, tandis que la résistance à la traction et le module moyens des composites de résine époxy renforcées de fibres de carbone sont respectivement de 311 MPa et 5,2 GPa. L'allongement à la rupture des composites PEK renforcés de fibres de carbone est de 9,43 %, tandis que celui des composites de résine époxy renforcés de fibres de carbone est de 11,32 %.
B. Dureté: Lorsque de la fibre de carbone est ajoutée à la matrice, la dureté globale du composite augmente, indiquant que la charge améliore la résistance à la déformation plastique. Les valeurs de dureté du PEK et de la résine époxy sont respectivement de 87 et 85, avec des valeurs de dureté composite correspondantes de 94 et 89, ne montrant aucune différence significative.
C. Résistance à la rupture: En raison de la fragilité de la résine époxy, la ténacité des composites en résine époxy renforcée de fibres de carbone diminue à mesure que la ténacité de la matrice diminue. En revanche, la matrice PEK présente une meilleure ténacité, ce qui conduit à une meilleure ténacité des composites PEK renforcés de fibres de carbone. La charge maximale prise en compte lors du calcul de la ténacité à la rupture est la charge maximale que le matériau peut supporter avant rupture lors de l'essai SENB ; un facteur d'intensité de contrainte (Kic) plus élevé correspond à une ténacité plus élevée. Les résultats montrent que le Kic des composites PEK renforcés de fibres de carbone est de 13,71 MPa·√m, tandis que pour les composites de résine époxy renforcés de fibres de carbone, il est de 11,53 MPa·√m, ce qui indique de meilleures performances pour les premiers.
D. Comportement thermique pendant le chauffage et le refroidissement: Les transitions thermiques des composites polymères lors du chauffage et du refroidissement ont été étudiées par DSC. La température de fusion et la température de cristallisation de la matrice ont été comparées, révélant la température de fusion (Tm), la température de cristallisation (Tc) et la température de transition vitreuse (Tg) des échantillons de matériaux.
E. Limiter l'indice d'oxygène: Les tests de l'indice limite d'oxygène (LOI) montrent que l'incorporation de fibre de carbone dans les deux matériaux matriciels améliore considérablement l'indice LOI. Les données indiquent que les LOI pour la résine époxy et le PEK sont respectivement de 25 et 35, tandis que les LOI correspondants pour les composites en fibre de carbone sont de 32 et 47, les composites PEK renforcés de fibres de carbone montrant une amélioration notable.
Grâce à des tests, les chercheurs ont découvert que les composites thermoplastiques en fibre de carbone avec du PEK comme matrice surpassent les composites en fibre de carbone thermodurcissables avec de la résine époxy dans divers paramètres de performance. Les différences substantielles dans les données mettent en évidence les disparités fondamentales de performances entre les composites à fibres de carbone thermodurcissables et thermoplastiques, suggérant un vaste potentiel d'application pour les composites à fibres de carbone thermoplastiques, en particulier dans des domaines avancés comme l'aérospatiale.
Cependant, pourquoi l’adoption des composites thermoplastiques en fibre de carbone est-elle beaucoup moins répandue que celle des composites thermodurcissables ? Ceci est étroitement lié à leurs techniques de traitement respectives. Les composites thermoplastiques en fibre de carbone nécessitent des températures de traitement élevées et la résine thermoplastique fondue a souvent du mal à imprégner complètement les faisceaux de fibres de carbone. Si cette étape n’est pas exécutée parfaitement, les performances mécaniques des composites thermoplastiques en fibre de carbone résultants peuvent même être inférieures à celles des composites thermodurcissables actuels en fibre de carbone.
