L’aramide / kevlar est un matériau qui offre des propriétés uniques de résistance exceptionnelle et de poids très faible.

Bien qu’il soit parfois comparé à la fibre de carbone, il existe des différences très importantes entre l’aramide et la fibre de carbone. En fait, ce n’est pas seulement la couleur qui différencie l’aramide de la fibre de carbone – l’aramide est jaune alors que la fibre de carbone est noire. Ces deux matériaux offrent des propriétés différentes et sont adaptés aux différents besoins de l’industrie.

Vous pouvez en savoir plus sur les composites en fibre de carbone et leurs propriétés dans l’article intitulé « Composites en fibre de carbone ».

Cet article analyse les propriétés des composites en fibre d’aramide, ses avantages et ses inconvénients, ainsi que des exemples pratiques d’utilisation dans différentes industries et des produits finis.

Historique

L’aramide fait référence à des matériaux spécifiques qui sont disponibles sous différents noms commerciaux.

Dupont a été la première société à introduire et à fabriquer l’aramide dans les années 60 sous la marque déposée Kevlar et il est disponible sur le marché depuis 1973. L’aramide a été découvert par une chimiste d’origine polonaise, Stefania Kwolek, qui a mené des recherches axées sur un matériau de faible poids et exceptionnellement solide à utiliser à la place du nylon dans la fabrication des pneus.

De nos jours, le Kevlar est le plus connu de tous les composites d’aramide.

Au fil du temps, d’autres entreprises ont également lancé la production et ont commencé à fournir de l’Aramide avec des caractéristiques légèrement différentes mais des propriétés principales similaires.

L’Aramide est fourni par d’autres fournisseurs également sous divers noms commerciaux, notamment : Nomex fourni par Dupont, Twaron et Technora fournis par Teijin au Japon, Arawin fourni par Toray en Corée, Kolon fourni par Heracron en Corée, ainsi que quelques autres fournis par des sociétés chinoises.

Tout matériau nommé Kevlar, Twaron ou Nomex fait en fait référence à l’aramide et présente des propriétés exceptionnelles, notamment une résistance extraordinaire aux chocs et à l’abrasion, une résistance aux hautes températures, ainsi qu’un faible poids. Grâce à ces propriétés, ce matériau est régulièrement utilisé par l’armée, l’armée de l’air, les sports nautiques et automobiles, ainsi que pour la fabrication de pneus, de vêtements et de gants de protection et pour de nombreuses autres utilisations. Le nombre d’applications augmente chaque année.

Quelles sont les propriétés de l’aramide/Kevlar ?

L’aramide sous la forme Kevlar ou Nomex fait référence à un matériau structurel qui offre certains avantages et inconvénients. La description suivante couvre les propriétés essentielles des composites d’aramide et des fibres sèches d’aramide.

Avantages des composites d’aramide

Haute résistance à l’impact et à la fissuration

L’aramide se caractérise par une extraordinaire résistance à l’impact et il ne se fissure pas sous pression car il est résistant et permet une absorption d’énergie importante. Il est largement utilisé pour la fabrication de gilets pare-balles, de bateaux, de kayaks, ainsi que pour le blindage des composants des véhicules militaires.

Le composite fabriqué à partir d’aramide présente une résistance à l’impact 5 fois supérieure à celle d’un composite en fibre de carbone (test d’impact par poids de chute). Une telle résistance extraordinaire à l’impact ou aux balles est le résultat de longues chaînes d’atomes qui forment la structure de l’aramide.
Grâce à ces propriétés, ce matériau est largement utilisé à des fins militaires dans la fabrication de gilets pare-balles et de matériaux de blindage de chars.

Les gilets pare-balles sont fabriqués à partir d’un matériau composé de plusieurs dizaines de couches d’aramide (par exemple le Kevlar) et comprennent une plaque de céramique entre les couches. Les boucliers utilisés dans certains véhicules blindés tels que le char américain M1 sont fabriqués à partir d’un matériau dont la structure comprend de l’acier -aramide – acier pour se protéger contre les missiles antichars jusqu’à 700mm de diamètre. En outre, en plus de la protection du char lui-même, les boucliers de blindage acier-aramide-acier protègent également l’équipage en absorbant l’énergie cinétique générée par le missile pénétrant.

Une autre application du Kevlar se trouve dans le Boeing AH-64 – l’hélicoptère d’attaque primaire de l’armée américaine pourvu de rotors en Kevlar. Ici, le Kevlar assure une protection contre les balles jusqu’à 23 mm de diamètre.

Grâce à sa haute résistance aux impacts, le Kevlar est largement utilisé pour la construction de bateaux et de kayaks, par exemple les coques des yachts conçus pour la Volvo Ocean Race, l’un des défis sportifs les plus difficiles. La plupart des kayaks de haute performance pour les sports nautiques sont fabriqués à partir de Kevlar ou d’hybrides fibre de carbone/Kevlar.

Faible densité / faible poids

Les fibres d’aramide se caractérisent par un poids extrêmement faible, ce qui constitue un avantage lors de la fabrication de composites.

Les composites d’aramide sont environ 20% plus légers que les composites en fibre de carbone, eux-mêmes considérés comme très légers. L’utilisation de tissus d’aramide dans les composites augmente la résistance à l’impact et à l’abrasion, tout en offrant un poids réduit des éléments composites.

Les fibres d’aramide ont une densité de ~ 1,45 g/cm3 alors que les composites d’aramide et de résine époxy ont une densité de ~ 1,3 g/cm3. Ce calcul a été basé sur la densité de la résine époxy mélangée au durcisseur ~1,1 g/cm3 ainsi que sur une technologie avancée employée lors de la production du composite, à savoir le pré-imprégné avec autoclave.

Pour comparer les fibres de carbone qui sont considérées comme très légères, elles ont une densité des composites de carbone – fibre de carbone et résine époxy équivalente à 1.55 g/cm3.

En d’autres termes, les composites de fibres d’aramide sont environ 20% plus légers que les composites de fibres de carbone.

Et si l’on comparait le poids des composites d’aramide avec les métaux ?
Les composites d’aramide ont une densité de 1,3 g/cm3. Dans le cas de l’aluminium, elle est de 2,7 g/cm3, le titane de 4,5 g/cm3 et l’acier de 7,9 g/cm3.
En d’autres termes, les composites d’aramide sont 2 fois plus légers que l’aluminium, et 3 ou 4 fois plus légers que le titane et jusqu’à 6 fois plus légers que l’acier.

Rigidité modérée – combler l’écart entre la fibre de verre et la fibre de carbone

Les composites d’aramide ont une rigidité plus élevée que les composites en fibre de verre et significativement plus faible que les composites en fibre de carbone.
Il existe de nombreux types de fibres, y compris celles de carbone et d’aramide – par exemple de modules standard, modérés et élevés qui offrent une rigidité, une résistance différentes et disponibles à des prix différents. Le tableau ci-dessous précise la rigidité de certaines fibres : fibre de verre, fibre de carbone et fibre d’aramide. La mesure du module de Young a été suivie dans le sens longitudinal.

Rigidité de différentes fibres composites:

• Tissus en fibre de verre – de 72 GPa (verre E standard) à 87 GPa (tissus en verre S de résistance accrue).
• Tissus de fibres de carbone – de 230 GPa (tissus standard utilisés pour la fabrication de composites – Toray T300 ) jusqu’à 590 GPa (classe HM Toray M60J).
• Tissus de fibres d’aramide – de 96 GPa (tissus d’aramide standard appliqués dans les composites – à savoir Kevlar 129) jusqu’à – 186 GPa (tissus d’aramide à savoir Kevlar 149 utilisés dans l’industrie aéronautique / aérospatiale).

En résumé, nous pouvons conclure que les composites d’aramide fabriqués à partir de tissus standard présentent une rigidité d’environ 30-40% supérieure à celle des composites en fibre de verre et des performances significativement limitées par rapport au composite en fibre de carbone – qui offre une rigidité 50% inférieure à celle des composites en fibre de carbone.

Faible expansion thermique

L’aramide est très stable lorsqu’il est exposé à des températures élevées avec un coefficient d’expansion thermique presque nul et légèrement négatif qui équivaut à (-2,4 x 10-6/°C).

Non-conducteur

L’aramide est un bon isolant et ne conduit pas l’électricité.

Résistance à l’abrasion

Les composites d’aramide sont largement utilisés pour les pièces et les composants exposés à l’abrasion, par exemple une plaque de protection du moteur dans une voiture de course.
L’aramide est couramment utilisé par l’industrie de l’extraction (par ex. l’industrie minière) pour le renforcement des courroies caoutchoutées des convoyeurs, et assure une plus grande solidité et une résistance à l’abrasion qui, selon le fabricant de Kevlar, peut être améliorée jusqu’à 50-70%.
Grâce à ces propriétés, le matériau est utilisé dans les composites ainsi que dans les vêtements de travail, par exemple les gants de sécurité résistants aux coupures où les tissus aramides sont utilisés, par exemple le Twaron ou le Kevlar.

Absorption des vibrations

Une propriété spécifique des composites d’aramide concerne l’absorption des vibrations et par conséquent l’aramide est utilisé pour la fabrication de composants exposés aux vibrations par exemple les composants structurels des avions.

faible constante diélectrique

Le composite d’aramide a une faible permittivité électrique de ~3,85 (10 GHz) qui assure une bonne performance et une bonne force du signal pénétrant les boîtiers de protection en aramide / radômes aériens. Ce type d’antenne est largement utilisé à des fins militaires, par exemple sur les avions militaires. Les boîtiers/radômes en aramide protègent les antennes contre les dommages et assurent une bonne performance du signal.

Par comparaison, le composite en fibre de verre E offre une permittivité électrique correspondant à 6,1 (10 GHz), ce qui entraîne une puissance et une performance du signal de l’antenne inférieures de 60%.
En plus de l’aramide, on utilise également des tissus en quartz qui offrent une permittivité électrique de 3,78 (10 GHz).

Utilisation avec d’autres tissus et création de composites hybrides

Les tissus aramides peuvent être utilisés dans les composites en fibre de carbone et en verre en modifiant les paramètres selon les besoins, ce qui offre de nombreuses possibilités aux fournisseurs de produits composites.
Dans le cas des composites en fibre de carbone, vous pouvez améliorer la résistance aux chocs en ajoutant quelques couches de tissus aramides.

Le composite hybride fait à partir d’une combinaison de tissus, à savoir 50% de fibres de carbone et 50% de celles d’aramide, offre une résistance à l’impact améliorée de 100-125% par rapport aux composites faits uniquement de fibres de carbone.
D’autres exemples d’applications sont quelques couches d’aramide prévues aux endroits où le perçage suit pour assurer un renforcement et réduire le risque d’endommagement/fissuration du composite autour des trous pendant le fonctionnement ou suite à des vibrations.

Inconvénients des composites d’aramide

Absorption de l’eau/de l’humidité

Les fibres d’aramide ont une absorption d’humidité relativement élevée (jusqu’à 6% de son poids), par conséquent les composites d’aramide doivent être protégés de manière appropriée – généralement avec une couche de finition pour réduire l’absorption d’humidité. En outre, dans le cas de composites exposés au contact avec l’eau, on utilise certains types d’Aramide qui ont une absorption d’eau réduite, par exemple le Kevlar 149 ou l’Armos.

Il est intéressant de noter que les tissus d’Aramide standard ont une absorption aussi élevée et que ces propriétés assurent une protection contre les brûlures et les échaudures. Ce matériau est très souvent utilisé lors de spectacles pyrotechniques, lorsqu’il est imbibé de paraffine. Grâce à ses propriétés uniques, l’aramide assure l’absorption de la paraffine mais ne se dégrade pas pendant la combustion et résiste à une température élevée.

Pour améliorer la résistance à l’humidité et la microfissuration de la surface supérieure des composites en aramide, on ajoute très souvent une couche de tissu de verre pour améliorer l’adhérence des couches de finition et faciliter toute réparation de la couche de finition à l’avenir.

Traitement et traitement difficiles

Les fibres d’aramide sont difficiles à couper. Par conséquent, le processus de production de composites comprenant des tissus d’aramide peut s’avérer être un processus très exigeant. Par conséquent, il est difficile de couper à la fois les tissus d’aramide secs et les composites d’aramide finis fabriqués à partir de tissus d’aramide et, par exemple, de résines époxydes.

La coupe des tissus secs est possible en utilisant un laser ou des coupeurs spéciaux conçus à cet effet. La découpe des composites aramides finis est possible avec la découpe au jet d’eau ou des cutters avec des outils à pointe de carbure ou de diamant spécialement conçus. Notez que l’utilisation de cutters provoque des bords de composites légèrement effilochés.

Pendant la production des composites d’aramide, dès la phase de conception, certains changements et modifications sont effectués pour adapter les moules de manière appropriée et réduire la quantité de découpe nécessaire après le démoulage. Parfois, aux endroits où la découpe est nécessaire, une couche comprenant des tissus hybrides est prévue, à savoir une couche comprenant des fibres de carbone (50%) et des fibres d’aramide (50%).

Les fibres d’aramide ont une liaison modeste par rapport aux fibres de verre ou aux fibres de carbone et une pénétration modeste de la résine. Par conséquent, pour la production de composites d’aramide, il est recommandé d’utiliser des résines époxy qui offrent de meilleures performances pour le collage des couches de tissu aramide.

Dégradation liée aux UV

Les fibres d’aramide ont une faible résistance aux UV.
Le rayonnement UV (lumière du soleil) entraîne la dégradation des fibres d’aramide. Par conséquent, une protection est nécessaire, qui peut être une couche supérieure ou une couche de matériau, par exemple, les lignes d’aramide sont généralement enfermées dans un revêtement de protection.

Coûts élevés

L’aramide est un matériau coûteux dont le prix est similaire à celui de la fibre de carbone. Par conséquent, il est utilisé à des fins spécifiques où une résistance extraordinaire à l’impact/abrasion est requise ainsi qu’un faible poids du produit fini. En fait, 1 m² de préimprégné fini de poids 200 g/m2 destiné à la production de composite revient à environ 30-40 EUR par m².

Faible résistance à la compression

Les fibres d’aramide offrent une résistance à la compression inférieure à celle des fibres de verre ou des fibres de carbone, c’est pourquoi les tissus hybrides sont largement utilisés dans les composants exposés à une forte compression, comme une structure comprenant une combinaison d’aramide et de fibre de carbone.

Utilisation de l’aramide

En pratique, l’aramide trouve de nombreuses applications. Voici quelques exemples:

Utilisation de l’aramide dans les composites – Composites d’aramide:

• Gilets pare-balles.
• Sports motorisés et protection des composants exposés à l’abrasion / impact- par exemple les passages de roues, les plaques de patinage.
• Corps d’avion (souvent hybride carbone-Kevlar), rotors, placage.
• Compartiments à bagages d’avion.
• Des radômes d’avions militaires qui ont des propriétés diélectriques spécifiques.
• Des planches à voile.
• Des kayaks.
• Des coques de bateaux.
• Des bouteilles de GPL – le poids est inférieur de 70% à celles en acier et offrent une meilleure résistance aux impacts par rapport à la fibre de carbone – ex.par exemple, Low8.

Utilisation de l’aramide dans les tissus secs :

• Vêtements de protection – notamment les vêtements résistants aux flammes, tels que les vêtements militaires (par exemple, a2cu ), les vêtements des pompiers ou les vêtements conçus pour la F1 et le NASCAR (principalement en Nomex).

  

• Gants de sécurité résistants aux coupures.
• Renforcement des composants caoutchoutés e.par exemple les courroies de distribution.
• Renforcement des pneus.
• Cordes.
• Câbles optiques munis d’un revêtement en fibre aramide qui empêche les fissures et protège contre le contact momentané avec le feu.
• Tissu de voile.
• Têtes de tambour.
• Papier aramide utilisé dans les nids d’abeille.

Résumé
L’aramide offre des propriétés et des performances extraordinaires en matière de résistance aux chocs, à l’abrasion, à la découpe et un poids ultra faible, inférieur de 20% à celui de la fibre de carbone.
Dans le même temps, ce matériau présente certains inconvénients tels qu’un traitement et une transformation difficiles ou l’absorption d’humidité.

Nous espérons que la lecture de ce document permettra à chacun d’en savoir plus sur les avantages et les inconvénients, ainsi que de contribuer à son utilisation optimale par les ingénieurs et les concepteurs.

FABRICATION DE COMPOSITES D’ARAMIDE

Dexcraft fournit des produits composites d’aramide tels que des gilets pare-balles, des composants de carrosserie de voitures de course, des feuilles d’aramide et d’autres composites.

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