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article technique
EuroWire – Juillet 2008
structure du revêtement. Deux types
de
contraintes
triaxiales,
d’origines
différentes, peuvent être présents dans
le revêtement: la contrainte peut être
induite thermiquement par la variation de
la température ou induite par des forces
mécaniques externes.
2.1 Cavités induites par contraintes
thermiques
2.1.1 Contraintes thermiques dans les
systèmes de revêtement à double couche
.
Il a été confirmé que les contraintes
thermiques sont présentes dans un
système de fibres revêtues.
[2-5]
La contrainte
triaxiale dans le revêtement primaire,
comme illustré à la
Figure 1
, est causée
par la différence entre les coefficients
de dilatation thermique du verre, du
revêtement primaire et du revêtement
secondaire.
Sur la base de la théorie mécanique des
matériaux, il est possible de calculer la
contrainte triaxiale, qui est constituée par
les composants de la contrainte radiale σr,
la contrainte tangentielle σ
θ
et la contrainte
axiale σ
z
. La
Figure 2
montre la distribution
de la contrainte calculée dans un système
à double couche typique, où l’épaisseur de
chaque couche est de 30μm, le module de
Young E
1
=1MPa, E
2
=1GPa, les coefficients
de
dilatation
thermique
linéaire
α
1
=3x10
-4
/K, α
2
=1x10
-4
/K et les coefficients
de Poisson ν
1
=0,5, ν
2
=0,4. Le système est
soumis à une variation de température
de -30ºC, pour simuler la contrainte dans
le système de revêtement lorsque la fibre
revêtue est refroidie de la température de
tréfilage à la température ambiante. Bien
que la température dans le revêtement
durant le cycle de vulcanisation à UV
pourrait atteindre des valeurs arrivant
jusqu’à 100ºC, la contrainte thermique
ne commence à augmenter que lorsque
la température descend au-dessous de
la température de transition vitreuse (T
g
ou
Glass Temperature
) du revêtement
secondaire (~50ºC).
Les trois composants de la tension dans
le revêtement primaire sont de traction et
sont tous situés au même niveau, comme
représenté à la
Figure 2
. Cela signifie que
la tension dans le revêtement primaire à
température ambiante est une contrainte
hydrostatique: elle augmente au rythme
de la diminution de la température jusqu’à
atteindre le T
g
du revêtement primaire
(normalement ~-20ºC), lorsque même le
revêtement primaire passe à l’état vitreux.
La contrainte de traction calculée dans
le revêtement primaire est de ~0,8MPa à
température ambiante, comme représenté
à la
Figure 2
. À cause de la propriété
viscoélastique du revêtement secondaire, la
contrainte effective devrait être inférieure à
la contrainte calculée et diminuer au fil du
temps alors que le revêtement secondaire
est soumis à une relaxation en contrainte à
des températures inférieures au T
g
.
[5]
Si d’un côté le risque de cavitation
du revêtement due à la contrainte
thermique est réduit dans les fibres
conventionnelles à double revêtement, il
faut évaluer avec attention certains types
de systèmes de revêtement examinés
ci-dessous. La nouvelle tendance dans
le développement des revêtements
primaires consiste à réduire davantage le
module correspondant et le T
g
afin d’offrir
une meilleure protection de tamponnage
contre les microcourbures dans une
ample gamme de températures. Dans
ce type de revêtement, la contrainte de
traction continue à augmenter lorsque
la température commence à diminuer;
toutefois le revêtement primaire reste à
l’état caoutchouteux.
Comme illustré à la
Figure 3
, la contrainte de
traction calculée augmente linéairement au
rythme de la diminution de la température.
En outre, la relaxation en contrainte du
revêtement secondaire est beaucoup
plus lente aux basses températures.
Outre le risque de contraintes thermiques
élevées, un revêtement primaire avec un
module inférieur peut être susceptible
de cavitation à cause de sa densité
de réticulation inférieure. Il est donc
essentiel que les revêtements primaires
avec un module et un T
g
réduits soient
conçus soigneusement de façon à offrir
une résistance à la cavitation élevée, en
optimisant la structure de réticulation.
La connaissance approfondie au niv-
eau moléculaire de la résistance à la
cavitation des matériaux de revêtement
vulcanisables à UV permet de développer
des systèmes de revêtement caractérisés
par des performances de microcourbure
améliorées associées à une résistance
à la cavitation élevée, pour offrir des
fibres robustes dans une ample gamme
de températures. Un autre exemple de
situation à risque élevé en ce qui concerne
la formation de cavités est représenté par
la fibre caractérisée par des couches de
revêtement plus épaisses par rapport à
celles traditionnelles.
La contrainte de traction dans la couche
primaire d’une fibre qui présente une
structure de verre/revêtement avec un
diamètre externe de 125/350/500 μm, est
calculée et représentée graphiquement
à la
Figure 3
. La valeur de la contrainte
de traction dans le revêtement primaire
de cette fibre est 2,8 fois supérieure à la
Figure 3
▼
▼
:
Contrainte thermique calculée par rapport à la température pour une fibre normale de 250 µm (en
supposant que la contrainte commence à se développer à une température inférieure à celle du revêtement
secondaire avec T
g
~50°C)
Figure 4
▲
▲
:
Cavités dans la couche du revêtement
primaire induites par la variation cyclique de la
température dans une fibre de 500 µm (gauche)
40x (droite) 200x
Figure 5
▲
▲
:
Diagramme schématique des contraintes
de traction localisées dans le revêtement primaire
causées par une force mécanique latérale
Figure 6
▲
▲
:
Contrainte normale dans la couche
du revêtement primaire induite par une force
mécanique latérale calculée moyennant l’Analyse
des Éléments Finis
Contrainte
de traction
Contrainte
de traction
Contrainte de traction dans le revêtement primaire (MPa)
Température
245 μm Fibre
500 μm Fibre