Mesure des propriétés mécaniques des stratifiés composites polymères de renfort en fibre de verre obtenus par différents procédés de fabrication

Le composite polymère renforcé de fibres (FRP) est un type de matériau à haute résistance fabriqué en mélangeant des renforts de fibres et des matrices polymères ^1,2,3. Il est largement utilisé dans les industries aérospatiales ^4,5,6, de la construction^7,8, de l’automobile 9 et de la marine^10,11 en raison de sa faible densité^, de sa rigidité et de sa résistance spécifiques élevées, de ses propriétés de fatigue et de son excellente résistance à la corrosion. Les fibres synthétiques courantes comprennent les fibres de carbone, les fibres de verre et les fibres d’aramide¹². La fibre de verre a été choisie pour l’étude dans cet article. Par rapport à l’acier traditionnel, les stratifiés composites de renfort en fibre de verre (GFRP) sont plus légers, avec moins d’un tiers de la densité, mais peuvent atteindre une résistance spécifique plus élevée que l’acier.

Le processus de préparation du FRP comprend le moulage par transfert de résine assisté par vide (VARTM)¹³, l’enroulement filamentaire (FW)14 et le moulage préimprégné, en plus de nombreux autres procédés de fabrication avancés^15,16,17,18. Par rapport à d’autres procédés de préparation, le procédé de laminage à la main/sac sous vide humide (WLVB) présente plusieurs avantages, notamment des exigences d’équipement simples et une technologie de processus simple, et les produits ne sont pas limités par la taille et la forme. Ce procédé a un haut degré de liberté et peut être intégré au métal, au bois, au plastique ou à la mousse.

Le principe du procédé WLVB est d’appliquer une plus grande pression de formage à travers des sacs sous vide pour améliorer les propriétés mécaniques des stratifiés préparés ; La technologie de production de ce procédé est facile à maîtriser, ce qui en fait un procédé de préparation de matériaux composites économique et simple. Ce processus est entièrement manuel et il est grandement influencé par les compétences du personnel de préparation. Par conséquent, les produits sont sujets à des défauts tels que des vides et des épaisseurs inégales, ce qui entraîne des qualités et des propriétés mécaniques instables du stratifié. Par conséquent, il est nécessaire de décrire en détail le processus WLVB, de contrôler finement les étapes et de quantifier la proportion du matériau, afin d’obtenir une grande stabilité des propriétés mécaniques des stratifiés.

La plupart des chercheurs ont étudié le comportement quasi-statique 19,20,21,22,23 et dynamique 24,25,26,27,28, ainsi que la modification des propriétés ^29,30 des matériaux composites. Le rapport de fraction volumique de la fibre à la matrice joue un rôle crucial dans les propriétés mécaniques du stratifié FRP. Dans une plage appropriée, une fraction volumique plus élevée de fibre peut améliorer la résistance et la rigidité du stratifié FRP. Andrew et ^al.31 ont étudié l’effet de la fraction volumique des fibres sur les propriétés mécaniques d’échantillons préparés par le procédé de fabrication additive par modélisation par dépôt de fil fondu (FDM). Les résultats ont montré que lorsque la fraction volumique des fibres était de 22,5 %, l’efficacité de la résistance à la traction atteignait son maximum, et une légère amélioration de la résistance était observée lorsque la fraction volumique des fibres atteignait 33 %. Khalid et al.32 ont étudié les propriétés mécaniques de composites continus renforcés de fibres de carbone (CF) imprimés en ^3D avec diverses fractions volumiques de fibres, et les résultats ont montré que la résistance à la traction et la rigidité étaient améliorées avec l’augmentation de la teneur en fibres. Uzay et ^al.33 ont étudié les effets de trois méthodes de fabrication – la stratification manuelle, le moulage par compression et l’ensachage sous vide – sur les propriétés mécaniques du polymère renforcé de fibres de carbone (PRFC). La fraction volumique des fibres et le vide des stratifiés ont été mesurés, des essais de traction et de flexion ont été effectués. Les expériences ont montré que plus la fraction volumique des fibres est élevée, meilleures sont les propriétés mécaniques.

Les vides sont l’un des défauts les plus courants du stratifié FRP. Les vides réduisent les propriétés mécaniques des matériaux composites, telles que la résistance, la rigidité et la résistance à la fatigue³⁴. La concentration des contraintes générées autour des vides favorise la propagation des micro-fissures et réduit la résistance d’interface entre l’armature et la matrice. Les vides internes accélèrent également l’absorption d’humidité du stratifié FRP, ce qui entraîne un décollement de l’interface et une dégradation des performances. Par conséquent, l’existence de vides internes affecte la fiabilité des composites et limite leur large application. Zhu et ^al.35 ont étudié l’influence de la teneur en vide sur les propriétés de résistance au cisaillement interlaminaire statique des stratifiés composites CFRP et ont constaté qu’une augmentation de 1 % de la teneur en vide allant de 0,4 % à 4,6 % entraînait une détérioration de 2,4 % de la résistance au cisaillement interlaminaire. Scott et ^al.36 ont présenté l’effet des vides sur le mécanisme d’endommagement dans les stratifiés composites CFRP soumis à une charge hydrostatique à l’aide de la tomodensitométrie (TDM) et ont constaté que le nombre de vides est de 2,6 à 5 fois supérieur au nombre de fissures réparties aléatoirement.

Des stratifiés FRP de haute qualité et fiables peuvent être fabriqués à l’aide d’un autoclave. Abraham et ^al.37 ont fabriqué des stratifiés à faible porosité et à haute teneur en fibres en plaçant un assemblage WLVB dans un autoclave avec une pression de 1,2 MPa pour le durcissement. Néanmoins, l’autoclave est un équipement volumineux et coûteux, ce qui entraîne des coûts de fabrication considérables. Bien que le procédé de transfert de résine assisté par le vide (VARTM) soit utilisé depuis longtemps, il a une limite en termes de coût en temps, un processus de préparation plus compliqué et plus de consommables jetables tels que les tubes de dérivation et les milieux de dérivation. Par rapport au procédé WL, le procédé WLVB compense une pression de moulage insuffisante grâce à un sac sous vide à faible coût, absorbant l’excès de résine du système pour augmenter la fraction volumique des fibres et réduire la teneur en pores internes, améliorant ainsi considérablement les propriétés mécaniques du stratifié.

Cette étude explore les différences entre le processus WL et le processus WLVB, et détaille le processus méticuleux du processus WLVB. La teneur en volume de fibres des stratifiés a été calculée par la méthode de la formule, et les résultats ont montré que la teneur en volume de fibres des stratifiés WL était de 42,04 %, tandis que celle des stratifiés WLVB était de 57,82 %, en hausse de 15,78 %. Les propriétés mécaniques des stratifiés ont été caractérisées par des essais de traction et d’impact. Les résultats expérimentaux ont révélé qu’avec le procédé WLVB, la résistance et le module des stratifiés ont été augmentés de 17,4 % et 16,35 %, respectivement, et l’énergie spécifique absorbée a été augmentée de 19,48 %.