Fibres, résines et Mousses : les différents matériaux de construction composite

Nous avons traité dans un autre article des différentes structures de composites adaptés à la construction navale, ainsi que des procédés de mise en œuvre de celles-ci.

Dans cet article, nous allons aborder les différents choix de composants possibles pour réaliser cette structure composite : les résines, les fibres, et les âmes.

Premièrement : quelle résine ?

Dans la construction composite des bateaux, le choix de la résine est crucial car il affecte non seulement les propriétés mécaniques du produit final mais aussi la performance en service, la durabilité, et le processus de fabrication. Vous retrouvez ici une comparaison des trois types de résines couramment utilisées :

1. Polyester

• Caractéristiques :
  • Coût : C'est la résine la moins coûteuse, ce qui la rend très populaire pour la production en série de bateaux de plaisance.
  • Facilité d'Usage : Facile à travailler, avec une bonne imprégnation des fibres et une large gamme de catalyseurs pour ajuster le temps de cure.
  • Résistance Chimique : Moins résistant aux solvants et à l'eau comparé aux autres. Peut être sujet à l'osmose (blistering) avec le temps dans l'eau de mer.
  • Adhésion : Bonne adhésion initiale mais peut se détériorer avec l'exposition prolongée à l'humidité ou à l’eau.
• Applications : Principalement utilisé dans les bateaux de plaisance, les petites embarcations, et dans des applications où le coût est un facteur déterminant.

2. Vinyl Ester

• Caractéristiques :
  • Coût : Plus cher que le polyester mais généralement moins que l'époxy. Elle offre un compromis entre coût et performance.
  • Résistance Chimique : Supérieure à celle du polyester, notamment en termes de résistance à l'eau et à la formation de blisters (osmose), ce qui le rend idéal pour les coques de bateaux.
  • Adhésion et Durabilité : Meilleure adhésion aux fibres et plus durable dans les environnements marins que le polyester.
  • Cure : Le processus de cure est similaire à celui du polyester, mais il offre une meilleure barrière contre l’hydrolyse.
• Applications : Utilisé pour les coques de bateaux nécessitant une meilleure protection contre l'osmose, dans les bateaux de course, et les navires commerciaux.

3. Époxy

• Caractéristiques :
  • Coût : La plus chère des trois, mais justifiée par ses performances supérieures.
  • Résistance : Excellente résistance mécanique, chimique, et à l'humidité. Très faible rétractation lors du durcissement, ce qui réduit le risque de délamination.
  • Adhésion : La meilleure adhérence aux fibres, permettant des structures très solides et légères. Aussi, elle a une excellente résistance à la fatigue.
  • Travail : Peut être plus difficile à travailler pour les amateurs en raison de sa viscosité et de la nécessité d'un bon contrôle de la température et de l'humidité durant la cure.
• Applications : Utilisé dans les bateaux de haute performance, les yachts de course, les structures critiques où le poids et la résistance sont primordiaux.

Points de Comparaison :

• Performance Mécanique : Époxy > Vinyl Ester > Polyester
• Résistance à l'Eau/Blistering : Époxy > Vinyl Ester > Polyester
• Coût : Polyester < Vinyl Ester < Époxy
• Facilité de Travail : Polyester > Vinyl Ester > Époxy

Chaque type de résine trouve son utilisation dans l'industrie navale, où les choix sont souvent guidés par le budget, les performances requises, et les conditions environnementales dans lesquelles le bateau évoluera.

Pour des projets ambitieux ou à haute valeur ajoutée, la résine époxy est fréquemment privilégiée en raison de sa durabilité et de ses excellentes propriétés mécaniques. À l'opposé, le polyester demeure un favori pour des applications générales ou dans le cadre de budgets restreints.

Pour notre part, la résine polyester a été écartée d'emblée. Bien qu'elle soit plus économique, elle est trop vulnérable à l'osmose et ne répond pas aux critères de robustesse que nous exigeons pour garantir la pérennité de nos embarcations.

Idéalement, la résine époxy devrait être utilisée pour toute la structure. Cependant, pour des raisons de coût, nous avons opté pour une stratégie mixte : nous employons des résines vinylester et époxy selon les pièces fabriquées, leur exposition aux éléments et les niveaux de contrainte qu'elles doivent supporter.

Une fois la résine choisie, elle se destine à imprégner des fibres dont les propriétés peuvent varier.

Deuxièmement : Quel choix de fibre ?

Dans la construction composite, le choix de la fibre est également crucial car il détermine pour une grande part les propriétés finales du matériau composite. Voici un aperçu des trois fibres couramment utilisées :

1. Fibre de Verre

• Caractéristiques :
  • Résistance et Flexibilité : Offre une bonne résistance à la traction et une certaine flexibilité. Il existe plusieurs types de fibre de verre (E, S, R, etc.), chacun ayant des propriétés spécifiques, avec l'E-glass étant le plus courant en construction navale pour son bon rapport coût-performance.
  • Coût : Très abordable, ce qui en fait le choix le plus courant pour les applications où le budget est restreint.
  • Poids : Plus lourd que le carbone, mais généralement plus léger que le métal pour une résistance équivalente.
  • Résistance Chimique : Bonne résistance à la plupart des produits chimiques, mais peut être attaqué par certains acides et bases.

2. Fibre de Basalte

• Caractéristiques :
  • Propriétés Mécaniques : Similaires à celles de la fibre de verre, avec une meilleure résistance thermique et chimique. La fibre de basalte peut supporter des températures plus élevées avant de perdre ses propriétés mécaniques.
  • Écologique : Considérée comme plus respectueuse de l'environnement que la fibre de verre car elle nécessite moins d'énergie pour sa production et est issue de roche volcanique, une ressource naturelle abondante.
  • Coût : Plus chère que la fibre de verre mais souvent moins que la fibre de carbone, offrant un bon compromis entre coût et performance.
  • Résistance à la Corrosion : Excellente, ce qui la rend intéressante pour les environnements marins.
• Applications : Utilisée dans des applications nécessitant une meilleure résistance au feu, à la chaleur, et chimique que la fibre de verre, ainsi que dans des secteurs où l'impact environnemental est une préoccupation.

3. Fibre de Carbone

• Caractéristiques :
  • Résistance et Rigidité : La fibre de carbone offre la plus haute résistance à la traction et la plus grande rigidité parmi les trois, pour un poids très faible, ce qui en fait le choix privilégié pour les applications de haute performance.
  • Coût : Le plus cher, ce qui peut limiter son utilisation aux applications où ses propriétés exceptionnelles justifient le coût, comme dans l'aéronautique, l'automobile de course, et les yachts de compétition.
  • Fatigue : Très bonne résistance à la fatigue, ce qui permet des cycles de charge répétés sans perte significative de performance.
• Applications : Dans la construction de bateaux de course, les pièces structurelles critiques de yachts, et dans toute application où la légèreté et la haute performance sont primordiales.

Comparaison :

• Résistance : Carbone > Basalte > Verre
• Poids : Carbone < Basalte = Verre
• Coût : Verre < Basalte < Carbone
• Impact Environnemental : Basalte < Verre < Carbone.

Applications Spéciales : La fibre de carbone pour les applications nécessitant un ratio résistance/poids maximal, la fibre de basalte pour les environnements agressifs ou comme alternative verte, et la fibre de verre pour les applications générales et économiques.

De notre côté, le basalte a notre faveur de par sa meilleure résistance globale à l’environnement marin et son impact écologique nettement inférieur. Le carbone est une fibre également appréciée au chantier, néanmoins son coût prohibitif ne rentre pas toujours dans le budget des projets qui nous sont présentés.

Nous proposons quoi qu'il en soit de travailler les trois fibres en fonction du projet.

Troisièmement : Quid de l’âme du sandwich (Jambon/beurre) ?

Dans la construction en sandwich, le choix du matériau de l'âme (core) est aussi important car il influence la rigidité, le poids, l'isolation, et la résistance globale de la structure. Voici un aperçu des types de mousses couramment utilisés :

1. PVC (Polyvinyle Chlorure)

• Caractéristiques :
  • Densité : Disponible dans une gamme de densités, offrant flexibilité dans le design pour équilibrer poids et rigidité.
  • Résistance Chimique : Très bonne résistance aux produits chimiques, à l'exception des solvants organiques.
  • Isolation : Bonne isolation thermique et phonique.
  • Coût : Relativement peu coûteux comparé à d'autres matériaux d'âme comme le Nomex.
  • Résistance à l'Eau : Impermeable, ne pourrit pas et résistant à l'humidité, idéal pour les applications marines.
• Applications : Extrêmement populaire dans la construction navale pour les coques, les ponts, et les superstructures, aussi utilisé dans l'aéronautique et d'autres industries nécessitant une bonne rigidité à poids égal.

2. PET (Polyéthylène Téréphtalate)

• Caractéristiques :
  • Écologique : Souvent fabriqué à partir de matériaux recyclés et recyclable lui-même, ce qui en fait un choix plus écologique.
  • Performance : Bonne résistance à la compression et au cisaillement, avec une densité qui peut varier.
  • Ductilité : Plus ductile que le PVC, ce qui peut être bénéfique pour absorber l'énergie d'impact.
  • Coût : Généralement compétitif, surtout lorsqu'il s'agit de PET recyclé.

• Applications : Utilisé dans les structures légères où la durabilité et le recyclage sont des facteurs importants. On le trouve dans les panneaux de construction, les windsurf boards, et autres applications où un matériau plus "vert" est désiré.
   

3. Autres Types de Mousse

• PU (Polyuréthane) :
  • Caractéristiques : Utilisé pour son poids léger et ses propriétés d'isolation thermique, mais moins résistant à l'eau et aux produits chimiques que le PVC ou le PET.
  • Applications : Principalement dans les industries où l'isolation est primordiale, comme les réfrigérateurs, mais moins dans la construction marine en raison de sa susceptibilité à l'hydrolyse.
• Nomex (Aramide) :
  • Caractéristiques : Mousse en nid d'abeille d'aramide, offre une excellente résistance au feu, une faible densité, et une bonne résistance mécanique mais à un coût beaucoup plus élevé.
  • Applications : Utilisé dans l'aéronautique, les yachts de course, et toute application où le poids, la résistance au feu, et la performance sont critiques.
• Balsa :
  • Caractéristiques : Un bois naturel utilisé comme cœur, très léger, offre une bonne rigidité à poids égal, mais doit être correctement scellé pour éviter l'absorption d'eau.
  • Applications : Traditionnellement utilisé dans la construction navale et de plus en plus dans les éoliennes pour les pales.

Points de Comparaison :

• Résistance et Rigidité : Nomex > PVC > PET > PU, avec le balsa offrant une bonne rigidité spécifique mais nécessitant une protection contre l'humidité.
• Coût : PU et PET (surtout recyclé) peuvent être compétitifs, PVC est un choix standard modéré, tandis que Nomex est coûteux.
• Impact Environnemental : PET (recyclé) et balsa (naturel) peuvent être vus comme plus écologiques, malgré que le balsa nécessite traitement.
• Isolation : PU pour l'isolation thermique, PVC et PET pour l'isolation structurelle et acoustique.

Le choix de la mousse dépendra des exigences spécifiques de la structure en termes de poids, de coût, de performance mécanique, d'isolation, et de considérations environnementales.