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Avancées dans les thermoplastiques renforcés de fibres longues

Qu'est-ce que le thermoplastique renforcé de fibres longues ?

Ces dernières années, les composites thermoplastiques renforcés de fibres à base de résines thermoplastiques ont connu un développement rapide. Les matériaux thermoplastiques purs manquent généralement de résistance et de rigidité suffisantes pour répondre aux exigences des applications exigeantes, ce qui les rend sujets à la rupture ou à la rupture sous des charges d'impact, limitant ainsi leur adéquation aux applications nécessitant résistance et durabilité. Le thermoplastique renforcé de fibres courtes (SFRT) fournit une solution à ces enjeux en introduisant des fibres courtes dans la matrice thermoplastique.

Les fibres agissent comme des matériaux de renforcement, apportant une résistance, une rigidité et une résistance aux chocs supplémentaires au matériau composite. Par la suite, pour améliorer encore les performances mécaniques, telles que la résistance, la rigidité et la résistance aux chocs, des fibres longues sont introduites dans la matrice thermoplastique car les fibres courtes dispersées dans la matrice ne peuvent pas fournir autant de renforcement que les fibres longues continues. Le développement de matériaux thermoplastiques renforcés de fibres longues (LFRT ou LFT) surmonte les limites des matériaux thermoplastiques traditionnels renforcés de fibres courtes.

Les principales différences entre les fibres longues et les fibres courtes résident dans leur taille et leur orientation. Les fibres longues atteignent généralement le niveau millimétrique, sont relativement longues et disposées de manière plus ordonnée, augmentant efficacement la résistance et la rigidité du matériau. Les fibres courtes, en revanche, sont généralement au niveau du micron, relativement courtes et ont une distribution plus aléatoire.

Initialement, les chercheurs et les ingénieurs ont commencé à expérimenter l’incorporation de fibres continues telles que le verre ou le carbone dans des matrices thermoplastiques afin d’améliorer les propriétés mécaniques des matériaux. De la fin du 20e siècle au 21e siècle, portée par les progrès en matière de renforcement des fibres, de formulations de résines, de processus de fabrication et d'applications, la technologie LFRT a continué à se développer. Aujourd'hui, le LFRT est largement utilisé dans diverses industries en raison de ses excellentes propriétés mécaniques, de sa légèreté et de sa rentabilité par rapport aux matériaux traditionnels.

LFT (thermoplastique renforcé de fibres longues)

En implantant des fibres relativement longues dans la matrice, la résistance, la rigidité et la capacité portante du matériau sont augmentées, ce qui le rend plus durable et plus fiable. L'orientation des fibres longues peut également déterminer les performances du matériau. Par exemple, placer les fibres perpendiculairement à la direction de la force peut augmenter la rigidité en flexion, tandis que les placer parallèlement peut augmenter la résistance et la rigidité en traction.

Applications du LFRT

Le LFRT est largement utilisé dans des secteurs tels que l'aérospatiale, l'automobile et la construction en raison de ses propriétés mécaniques améliorées, de ses caractéristiques de légèreté et de sa flexibilité de conception.

Par exemple:

Les matériaux 1.LFRT sont utilisés dans les structures de sièges et les panneaux de carrosserie automobiles, offrant un rapport résistance/poids et une résistance aux chocs élevés.
Les matériaux 2.LFRT sont utilisés dans les applications aérospatiales pour les composants structurels légers, les panneaux intérieurs et les intérieurs d'avions. Ils répondent aux exigences strictes des applications aérospatiales tout en réduisant le poids total et en améliorant le rendement énergétique.

Défis de fabrication

Une dispersion inégale des fibres longues dans la matrice thermoplastique peut conduire à des propriétés mécaniques faibles ou incohérentes dans certaines zones.

Lors du traitement, les fibres longues peuvent se briser ou s'endommager, réduisant ainsi leur effet de renforcement et compromettant les performances globales des matériaux composites.

La température de traitement élevée requise pour faire fondre les résines thermoplastiques peut entraîner une dégradation thermique, affectant les performances des matériaux et posant des problèmes de traitement.

Un mouillage insuffisant des fibres par la matrice thermoplastique peut entraîner une mauvaise liaison interfaciale et une résistance réduite du composite.

Améliorer la production de LFRT avec des extrudeuses à double vis

Les extrudeuses à double vis permettent un contrôle précis des paramètres de traitement tels que la température, la vitesse de la vis et le temps de séjour, permettant ainsi une flexibilité dans la formulation des matériaux.

Grâce à leur excellente capacité de mélange, les extrudeuses bivis assurent une dispersion uniforme des fibres longues dans la matrice thermoplastique. Cela se traduit par des propriétés mécaniques et des performances améliorées des matériaux LFRT.

La forte action de mélange et la technologie de traitement avancée des extrudeuses à double vis facilitent un meilleur mouillage des fibres par la matrice thermoplastique, une meilleure dispersion des fibres, améliorant ainsi l'adhérence interfaciale et la résistance du composite.

Les extrudeuses à double vis peuvent produire en continu des matériaux LFRT, offrant ainsi une productivité élevée et une qualité de produit constante. Cela les rend parfaitement adaptés aux opérations de fabrication à grande échelle.

Processus de fabrication de thermoplastique renforcé de fibres longues

Les matériaux composites renforcés de fibres courants comprennent les matériaux composites renforcés de fibres de verre (GFRP), les matériaux composites renforcés de fibres de carbone (CFRP) et les matériaux composites renforcés de fibres d'aramide (AFRP).

Les matériaux composites renforcés de fibres longues sont généralement préparés en coupant des fibres continues imbibées de résine en certaines longueurs. La méthode de traitement courante est le processus de pultrusion, qui consiste à étirer une mèche continue mélangée à de la résine thermoplastique à travers des matrices de moulage spéciales pour produire des fils volumineux continus. Actuellement, les matériaux composites thermoplastiques PEEK renforcés de fibres longues peuvent atteindre des propriétés structurelles supérieures à 200 MPa grâce à l'impression FDM, avec un module supérieur à 20 GPa, et seront plus performants grâce au moulage par injection.

Les fibres des matériaux composites renforcés de fibres continues sont « continues », dont la longueur varie de mètres à kilomètres. Prise PRV à titre d'exemple, la longueur des fibres de verre dépasse 3 mm, alors que le LFRT commercial est généralement de 6 à 25 mm. Les matériaux composites à fibres continues fournissent principalement des stratifiés, des préimprégnés ou des tissus, formés en imprégnant des fibres continues avec la matrice thermoplastique souhaitée.

LFT-G-Imprégnation-&-Extrusion3

Flux de processus:

Brièvement divisé en les étapes suivantes :

Materielle préparation
Préparation des matières premières, sélection minutieuse des particules de résine et des fibres en fonction des performances requises pour le produit LFRT final.

Préparation composite
La résine thermoplastique est mélangée dans une extrudeuse bi-vis pour former un composite homogène. Ceci est crucial pour obtenir les propriétés mécaniques requises.

Imprégnation
Après avoir complètement imprégné les fibres continues avec de la résine thermoplastique fondue dans le moule d'imprégnation, le composé LFRT est extrait en composés en forme de bande de section transversale uniforme et cohérente à travers une filière de façonnage.

Refroidissement, découpe
Ensuite, après refroidissement dans un système de refroidissement et découpe, le composé est coupé en granulés uniformes et de longueur constante. Enfin, les granules LFRT nécessaires sont formés.

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