Carbone, Epoxy
Légers, performants, reproductibles
Voiliers RC en composites
Les matériaux composites
Ils sont un assemblage d'au moins deux matériaux non miscibles (mais ayant une forte capacité d'adhésion). Le nouveau matériau ainsi constitué possède des propriétés que chacun des éléments, seul, ne possède pas.
Ce phénomène, qui permet d'améliorer la qualité de la matière face à une certaine utilisation (légèreté, rigidité à un effort, etc.), explique l'utilisation croissante des matériaux composites dans différents secteurs industriels.
Le Composite = Matrice + Renfort.
Par exemple, le béton armé = ciment et ossature en acier ou pierres dures comme le silex ou autres.
Dans notre domaine de voiliers RC les renforts se présentent sous différentes formes, comme le Mat, les renforts directionnels et les tissus (verre, carbone, aramide) et sont liés par une matrice , de la résine (Epoxy et parfois Polyester pour les moules)
La matrice a pour principal but de transmettre les efforts mécaniques au renfort. Elle assure aussi la protection du renfort vis à vis des diverses conditions environnementales. Elle permet en outre de donner la forme voulue au produit réalisé.
Les fibres de verre, de carbone ou d'aramide sont tissées afin de former un tissus plus facile a utiliser dans la stratification de pièces en composites.
L'armure, dans la terminologie du tissage de textile, désigne le mode d'entrecroisement des fils de chaîne et des fils de trame.
Il existe trois armures principales : taffetas, sergé et satin.
Ces trois armures donnent des propriétés d'application, d'esthétique et de résistance différentes.
L'armure, dans la terminologie du tissage de textile, désigne le mode d'entrecroisement des fils de chaîne et des fils de trame.
Il existe trois armures principales : taffetas, sergé et satin.
Ces trois armures donnent des propriétés d'application, d'esthétique et de résistance différentes.
L'armure taffetas (toile)
L'armure la plus simple avec croisement régulier des deux systèmes de fils ce qui produit deux côtés égaux suivant la formule d'armure L 1/1.Les tissus taffetas se drapent mal mais la stabilité dimensionnelle est bonne.
En voile RC ils sont utilisés en faible grammage (<50g/m^2) comme couche de surface.
L'armure sergé
L'avantage de l’armure sergé est qu’elle permet d’obtenir, avec le même nombre de fils, un tissus beaucoup plus flexible.Le fil de chaîne passe en alternance au-dessous d’un fil de trame, puis au-dessus de deux fils de trame. Le fait qu’il y ait moins de contact entre le fil de trame et le fil de chaîne procure une plus grande souplesse au tissus. L'effet du motif en oblique est obtenu par le décalage du fil de chaîne.
Ce tissage produit des tissus flexibles et faciles à draper et nous les utilisons pour la stratification des pièces a fort galbe (coque, bras de liaison, etc) en grammage de 100 à 200g:M^2
L'armure satin
C’est un tissu uni dans lequel on évite tout effet accentué de diagonal, grâce à des disséminations des point de liage. Il n’ y a qu’un seul point de liage sur chaque duite du rapport d’armure.Les tissus de satin fournissent la meilleure rigidité dans le stratifié. Facile à draper et très flexible.
Super lorsque l'on peut en trouver dans les grammages utilisables en RC.
Multi-Axiaux ou directionnels
En fait, les multiaxiaux sont des renforts "non-tissés" avec des assemblages de couches unidirectionnelles dont les fibres sont cousues ensemble par un fil à coudre.
Chaque couche est orientée dans un sens différent ce qui permet de produire des renforts adaptés à la spécification indiquée de l'application. On obtient une rigidité mécanique plus haute avec un multiaxiaux qu'avec un tissu de la même épaisseur du stratifié.
Les grammages proposés trop important, font qu'ils sont inutilisables en voile modèle réduit.
Les multiaxiaux peuvent être réalisée selon des spécifications précises:
• Nombre de couches
• Orientation des couches
• Poids des couches
• Type de fibres
• Largeur du non-tissé
Uni directionel
Ce sont des renforts non-tissés avec des assemblages de couches unidirectionnelles (Orientation 0°/ 90°/30°) dont les fibres sont cousues ensemble par un fil à coudre pour éviter le délaminage.Ils se présentent donc en bandes ou "tissus".
Les bandes unidirectionnelles de carbone sont régulièrement utilisées comme renforts localisés.
Attention : les fibres des bandes unidirectionnelles classiques avec chaîne et trame (0°), se défont facilement lors de la coupe.
Bi directionel
Dans cet assemblage, les couches de fibres juxtaposées sont cousues ensemble avec un fil polyester en une construction à deux couches, avec des orientations de fibres différentes à chaque couche.Les orientations conventionnelles des fibres sont ±45° , 0°/90°, ±30° et ±60° (le sens longitudinal de référence est 0°).
Pas utilisé en modèle réduit car grammages proposés trop importants (>200g)
Bi-directionnel à 45°
Bi-directionnel 0/90° en 6 couches
Bi-directionnel à 0/90°
Tri axial
Les couches de fibres juxtaposées sont cousues ensemble avec un fil polyester en une construction à trois couches, avec des orientations de fibres différentes à chaque couche.L’orientation conventionnelle des fibres est 0°±45° ou +45° 90° -45°
Pas utilisé en modèle réduit car grammages proposés trop importants (>200g)
Multi axial
La technologie des assemblages multiaxiaux permet des constructions jusqu’à 5 couches à orientations différentes à chaque couche.Une épaisseur plus épaisse est possible avec une double production jusqu’à 8-10 couches de fibres.
Ces multiaxiaux sont très rigides et difficile à manipuler pour stratifier à la main.
Ils sont réservés à l'industrie aéronautique.
Pas utilisé en modèle réduit car grammages proposés trop importants (>200g)
Multi axial en 4 couches
La fibre de verre
La plus communément connue, elle est la fibre la moins chère et offre de plus ou moins bonne propriétés en fonction de son gramage.La fibre de verre est une fibres similaire à des fibres de laine ou de coton, mais réalisées à partir de verre. La fibre de verre est présentée sous forme de tissu multidirectionnel, fil, mat, fibres broyées, fibres coupées et est destinée comme renforts pour la fabrication et la réparation dans le nautisme.
Elle peut s'employer avec toutes les résines sauf pour le Mat qui n'est pas vraiment compatible Epoxy...
Tissus taffetas, sergé et satin
Les tissus "tissés" de fibre de verre utilisée en modèle réduit sont principalement composée de tissus taffetas.Carbosailing ne l'utilise plus que pour les moules et certaines pièces accessoires des voiliers (présentoir, etc). Les tissus de carbone sont systématiquement privilégiés dans la réalisations des coques et pièces subissant des efforts comme les bras de liaisons des multicoques.
Mat
Renfort composé de filaments ou de fibres discontinues et maintenue en semble par un liant ( liant émultion et liant poudre ) présenté sous forme de nappes enroulées.Le Mat de verre est compatible avec la résine polyester uniquement pour un liant en émultion et vinylester et époxy pour le liant poudre.
De moins en moins utilisé en Voile RC.
Verranne
Assemblage tissé de fibre de verre composé de fils courts (quelques centimètres), la Verrane permet de monter rapidement en épaisseur avec un taux de résine élevé. Idéal pour la réalisation d'outillages comme les moules, la Verranne de 300 g/m^2 est présente dans les couches intermédiaires du moule.Compatible avec les résines époxy, polyester, vinylester, ...
Avantages
° Prix peu élevé° Haute contrainte de rupture en traction
° Haute résistance en compression
° Bonne stabilité dimensionnelle
° Excellente caractéristiques en température
° Pas d'absorption d'humidité
° Résiste à la plupart des substance chimique
° Excellente caractéristique d'isolation électrique
° Bonne résistance aux chocs
Inconvénients
° Moins performante en traction et flexion que le Carbone
° Densité plus élevée que le Carbone
La fibre de carbone est un matériau se composant de fibres extrêmement fines, entre 5 à 15 microns de diamètre, et composé principalement d'atomes de carbone, agglomérés dans des cristaux microscopiques qui sont alignés plus ou moins parallèlement à l'axe long de la fibre. L'alignement des cristaux rend la fibre incroyablement résistante pour sa taille.
Plusieurs milliers de fibres de carbone sont enroulées ensemble pour former un fil, qui peut être employé tel quel ou être tissé.
On parle toujours de la qualité des fibres mais jamais de la qualité de la matrice, également très importante pour les propriétés du composite.
Plusieurs milliers de fibres de carbone sont enroulées ensemble pour former un fil, qui peut être employé tel quel ou être tissé.
On parle toujours de la qualité des fibres mais jamais de la qualité de la matrice, également très importante pour les propriétés du composite.
Un même fil peut être fourni en 3K (3000), 12K ou 24K fibres dans un fil.
Dans le langage courant, on appelle souvent fibre, ce fil... car les fibres ne sont jamais utilisées telles quelles (trop petites).
Les tissus de carbone sont le résultat du tissage de fibre selon différents modes (taffetas, sergé, satin).
La fibre en 12K est principalement employée pour la couche externe, essentiellement pour des raisons esthétiques.
Les tissus de structure sont plus souvent en 3K
Le tissus le plus utilisé en modèle réduit est du 193 g/m^2, Taffetas, en 12K, ou du sergé 200g/m^2 en 3K. Des tissus plus gros existent mais sont de peu d'utilité pour nos voiliers. Par contre du plus fin est recherché ....
Dans le langage courant, on appelle souvent fibre, ce fil... car les fibres ne sont jamais utilisées telles quelles (trop petites).
Les tissus de carbone sont le résultat du tissage de fibre selon différents modes (taffetas, sergé, satin).
La fibre en 12K est principalement employée pour la couche externe, essentiellement pour des raisons esthétiques.
Les tissus de structure sont plus souvent en 3K
Le tissus le plus utilisé en modèle réduit est du 193 g/m^2, Taffetas, en 12K, ou du sergé 200g/m^2 en 3K. Des tissus plus gros existent mais sont de peu d'utilité pour nos voiliers. Par contre du plus fin est recherché ....
Le tissus le plus utilisé en modèle réduit est du 193 g/m^2, Taffetas, en 12K, ou du sergé 200g/m^2 en 3K. Des tissus plus gros existent mais sont de peu d'utilité pour nos voiliers. Par contre du plus fin est recherché ....
Avantages
Excellente contrainte de rupture en tractionExcellente résistance en compression
Excellente rigidité
Très faible densité
Faible coefficient de dilatation
Haute résistance chimique
Bonne résistance en température
Bonne conductivité éléctrique
Inconvénients
Une mauvaise résistance à l'abrasion et aux chocsLeur recyclage (broyage problématique)
Leur conductivité électrique (électrocution de marins en manœuvrant le mât de leur voilier)
Dans certains cas bien spécifique, cancer du poumon (plèvre), sa structure étant proche de celle de l'amiante.
Kelvar et autres
Le tissus d'Aramide est plus souvent nommé par le nom commercial de dérivés comme le Kevlar ou le Nomex.Les Aramides les plus courants sont :
Kevlar (Du Pont de Nemours) , un para-aramide (poly-para-phénylène-téréphtalamide, PPD-T)
Nomex (Du Pont de Nemours), un méta-aramides (poly-méta-phénylène-isophtalamide, MPD-I)
Ixef de Solvayles, un polyarylamide (PAA) : ;
Amodel d'Amocoles un polyphtalamide (PPA) : ;
Trogamid de Hüls un polyamide semi-aromatique amorphe (PA 6-3T)
Carbone - Kelvar
Les fibre d'aramides sont également tissées avec du carbone afin de bénéficer des avantages cululés.Suivant le mode de tissage on peut obtenir des tissus plus ou moins déformables ou résistant selon un axe précis.
Avantages
Grande soliditéRésistance aux chocs très élevée
Très faible densité
Bonne résistance chimique
Inconvénients
Difficulté à couper (résistance au cisaillement)Mauvais comportement en compression
Reprise d'humidité importante
Sensibilité aux rayons ultraviolets
Prix élevé
Tissus de délaminage en fils polyamide
Ils sont utilisés en dernière couche, afin d'obtenir, après arrachage, un bon état de surface et minimiser le ponçage ultérieur.
Quand la résine est sèche, on l'arrache sur le principe du "peeling " et la surface ainsi obtenue est propre, rugueuse et prête à un éventuel collage de pièce structurante.
Avantages
Donne une surface propreFacilite le travail de reprise
Pas cher
Inconvénients
Juste utilisé pour être jeté
Les résines représentent la matrice des composites et permettent de relier et lier les éléments du renfort (la fibre).
En modèle réduit les résines Epoxy sont les plus utilisées, en naval pour toutes les pièces (coques, pont, safran, etc.).
Les résines époxy
Elles possèdent de bien meilleurs caractéristiques mécaniques. Elles sont généralement utilisées avec les fibres de carbone pour la réalisation de pièces de structure et d'aéronautique.En modèle réduit les résines Epoxy sont les plus utilisées, en naval pour toutes les pièces (coques, pont, safran, etc.).
Les résines polyesters
Insaturés et peu onéreuses elles sont généralement utilisées avec les fibres de verre pour les moules ou les coques de bateaux grandeurs (96% des bateaux).Les résines vinylester
Ces résines sont surtout utilisées pour des applications où les résines polyester ne sont pas suffisantes. Elle sont issues d'une modification d'une résine époxyde et sont excellentes pour des applications de résistance chimique ce qui n'est pas notre cas en modélisme.Les résines phénoliques
Elles sont utilisées dans les applications nécessitant des propriétés de tenue aux feux et flammes imposées par les normes dans les transports civils.
La résine Epoxy
Les résines époxy durcissent (irréversiblement) sous l'effet de la chaleur (on les dit thermodurcissables) ou par adjonction d'un catalyseur (durcissant). On peut y ajouter divers additifs, diluants, solvants, pigments, charges, plastifiants, extendeurs, stabilisateurs, etc.Recommandation d'usage
Il est recommandé d'utiliser les résines époxy à une température de 20° à 25°, afin de faciliter le durcissement et le débullage. Une température d'application plus basse ( 15°C mini ) est possible mais peut donner des effets indésirables dans l'utilisation de votre résine époxy.Les effets de températures des résines époxy :
Les époxy sont des thermodurcissables, c'est à dire que leur durcissement est lié à la température. Le durcissement s'accélère lorsque la température augmente ( comme avec les résines polyester ) et ralentit lorsqu'elle diminue. D'autre part, plus la température est basse et plus la viscosité est élevée. Au contraire plus la température est élevée et plus fluide est le système époxy.L'effet de masse des résines époxy :
L'emploi d'une masse importante tend à accélérer le durcissement. Plus la masse est importante et plus l'objet a du mal à évacuer les calories libérées lors de la phase de durcissement de la résine. Celle ci auto accélère alors le système. Donc : plus la température et la masse sont élevées , plus la réaction de réticulation est rapide et exothermique.Le retrait :
Les résines époxy contrairement aux polyesters et autres thermoplastiques ont un retrait négligeable, ce qui leur permet une grande fidélité de reproduction pour les moulages. La seule précaution à prendre pour le démoulage des pièces époxy est de prévoir une dépouille et du démoulantLe mélange des résines époxy :
La phase de mélange de la résine et de son durcisseur est l'étape la plus importante dans la mise en oeuvre. 99% des variations de qualité viennent d'un mauvais mélange, il est donc impératif de respecter les règles élémentaires suivantes : Utiliser un récipient de pré mélange. Mélanger soigneusement ( mécaniquement ou à la main pour les petites quantités de résine ). Lorsque le mélange semble homogène, le transvaser dans un autre récipient de mélange propre : DOUBLE POTTING Enfin, racler les bords du pré mélange et transvaser ce reste de résine époxy dans les récipient de mélange. Enfin, mélanger à nouveau jusqu'à une homogénéisation complète.| Effets | Causes | Solutions |
| La résine est trouble, cristallisée ou solide | La résine a été transportée ou stockée à une température trop basse | Faire chauffer la résine entre 40et50° jusqu’à ce qu’elle redevienne limpide durant (6h à 12h) |
| Il apparait des zones optiquement différentes dans le mélange (vaguelettes) | Le mélange n’est pas homogène | Continuer l’agitation du mélange jusqu’à obtention d’un mélange lipide et homogène. |
| Le mélange n’a toujours pas pris après 24-48h | Le dosage résine/ Durcisseur n’est pas correct ou la température du local est inférieure à 18° | Vérifier le dosage et le temps de mélange et ou remonter la température du local voir utiliser une étuve. ( maxi 35-40°). |
| Le mélange prend beaucoup trop vite et chauffe | La température du local est trop élevée et la quantité de mélange est trop importante. | Tempérer le local et ou diminuer la quantité de mélange. Répartir rapidement la masse totale du mélange initial dans plusieurs récipients (effet de masse) |
| Le mélange réticulé comporte beaucoup de bulles | Mélange trop énergique et donc incorporation d’air. | Eviter un mélange rapide et trop énergique pour privilégier un mélange doux et plus lent. Une résine trop froide est beaucoup plus visqueuse et donc débulle moins facilement. Stocker les produits à bonne température. |
| La surface est grasse, collante | Trop d’humidité dans le local | Vérifier et réduire l’humidité du local en ventilant ( hygrométrie < 70%). |
| Le mélange réticulé se décolle de la surface du récipient | Récipient non adhérent (gras) durcissement à très haute température. | Veiller à bien nettoyer, dégraisser et sécher les récipients et éviter de durcir le mélange au dessus de 35-40°c |
| Le récipient en verre contenant le mélange réticulé, casse. | La différence de dilatation entre le matériau du récipient et le mélange durci est trop importante. | Attention à la qualité des récipients en verre trop fragile. Eviter les écarts de températures trop importants entre la phase de moulage, de stockage et /ou d’utilisation. |
Effets toxiques/symptômes
Irritation cutanée, causées par les résines, mais plus encore par les durcisseurs.Eczéma de contact, par les résines les plus sensibilisantes (plutôt que les durcisseurs), avec éventuelles atteinte du visage (dont paupières...). On observe des dermatoses professionnelles chez les travailleurs exposés2.
Allergies croisées ? Le Patch test souvent négatif pour les époxy non DGEBA
Ces résines ne semblent pas induire d'asthme ou de cancers3. Toutefois un cas unique d'Eczéma de contact évoluant en lésion cancéreuse est observé4.
Afin d'obtenir des stratifiés plus épais, donc plus rigides, mais léger, des matériaux de "remplissage" comme des mousse ou du nid d'abeille sont utilisés lors de la stratification
Nid d'abeille
Le nid d'abeilles aramide est un matériau d'une extrême légèreté, non-métallique d'une grande solidité, construit à partir de fibres para-aramides (DUPONT Kevlar ® N636 ou équivalent) Le papier para-aramide est imprégné d'une résine phénolique résistant au feu. Ce matériel noyau a des caractéristiques plus élevées de poids, de stabilité, de rigidité et de fatigue face à Nomex ® et Korex ®.
Caractéristiques
Jusqu'à 40 % plus léger que la qualité similaire Nomex ®Très haut rapport poids/stabilité
Excellente résistance aux températures et à l'humidité
Résistance module et cisaillement améliorée
Répond aux normes les plus sévères sur la fumée, la toxicité et l' inflammabilité
Bon façonnage de chaleur
Applications
Cuisines des avions, cloisons et planchers des avions, arêtes avant et arrière des ailes, nez de radar, volets de freinage, panneaux et portes.
Mousse PET
AIREX® T90 est une mousse thermoplastique, à cellules fermées avec de très bonnes propriétés mécaniques, un excellent comportement au feu, et une résistance extraordinaire à la fatigue. La mousse est chimiquement et thermiquement très stable et ne reprend pas l’eau et son comportement à haute température et lors de post-cuissons est exempt d’expansion.
Mousse PEI
Mousse haute résistance feu / fumée (M1 F1), thermoplastique associant une très bonne tenue au feu avec une capacité à travailler en haute température. AIREX® R 82 a d'excellentes caractéristiques diélectriques. C’est une mousse résiliente pour l’utilisation dans des structures devant résister au feu et/ou travailler dans des gammes de températures extrêmes (de -194 °C à +160 °C).
Mousse PVC réticulée
Mousse rigide à cellules fermées avec une grande rigidité et résistance mécanique par rapport au poids. Reprise en eau négligeable et excellente résistance chimique font de ce matériau l’âme idéale des sandwiches légers.Très recommandée pour le modélisme en âme de sandwich (pont, coque, couple)
Environnement
La plupart des composites sont à base de résines polymères thermodurcissables, ce qui les rend difficilement recyclables. Cette contrainte va donc à l'encontre du développement durable.
Mais de nouvelles recherches axées sur les biocomposites sont en cours, notamment avec des fibres issues de plantes ou de la cellulose (fibre de bois, chanvre,...). De plus, ils contribuent au respect de l'environnement car ils sont biodégradables. Ces biocomposites ne sont pas encore prêts à être mis sur le marché pour des secteurs de pointe.
Mais un composite n'est entièrement biodégradable que si la matrice utilisée l'est elle-même (par exemple, du PLA, polyacide lactique). Dans le cas d'une résine "classique" (polyester, époxy...), l'intérêt d'utiliser des fibres naturelles comme renfort sera le caractère renouvelable de celles-ci, mais on ne pourra pas parler de composite biodégradable.
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