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Les polymères renforcés de fibres de carbone , ou CFRP , sont une classe de matériaux composites à très faible densité et à haute résistance qui trouvent des applications dans un large éventail d’industries, allant des équipements pour les sports hautement compétitifs à l’industrie aérospatiale. Bien que son nom technique soit des composites polymères renforcés de fibres de carbone, la plupart des gens se réfèrent à cette classe de matériaux simplement comme fibre de carbone .
Comme leur nom l’indique, ces composés sont formés d’une matrice polymérique ou plastique renforcée par un tissu de fibres de carbone à haute résistance. Les propriétés finales du composite dépendent à la fois du type de résine utilisée et des caractéristiques particulières des fibres, ainsi que de la manière dont les fibres sont entrelacées au sein de la matrice et de leur direction dans le matériau. D’autre part, différents additifs sont généralement ajoutés pour modifier davantage les propriétés de la pièce résultante.
La matrice polymérique
La matrice polymère remplit la fonction de maintenir les fibres de carbone ensemble et dans une position fixe ; il façonne également la pièce en cours de fabrication.Il s’agit presque toujours d’une résine époxy durcie à la chaleur, bien qu’il existe des cas où des résines durcies à l’air ou certains polymères thermoplastiques ou autres sont utilisés à la place.
Dans le processus de fabrication des pièces, la résine époxy peut être incluse de différentes manières. Dans certains cas, les feuilles de fibre de carbone sont déjà trempées dans la résine avant d’être empilées les unes sur les autres ; dans d’autres cas, des couches de résine crue sont posées, suivies d’une feuille de fibre de carbone, puis d’une autre couche de résine, et ainsi de suite.
fibres de carbone
Processus de fabrication de fibre de carbone
Le procédé de fabrication des fibres de carbone est très ingénieux. Essentiellement, il consiste d’abord à fabriquer et à filer une fibre polymère synthétique, c’est-à-dire une matière plastique. Celui-ci peut être préparé sous forme de fibres, soit en faisant fondre un plastique déjà synthétisé puis en l’étirant alors qu’il est encore chaud, soit en le tirant au fur et à mesure qu’il polymérise. Dans tous les cas, le résultat final est un fil polymère composé de chaînes avec des milliers d’atomes de carbone, plus de l’hydrogène, de l’oxygène et éventuellement un autre élément.
Une fois la structure de base de la fibre obtenue, l’étape suivante est la carbonisation du matériau, c’est-à-dire que tous les autres atomes de la structure sont éliminés. Ceci est généralement réalisé en chauffant les bobines de fibres synthétiques à haute température, soit sous vide, soit sous atmosphère inerte (c’est-à-dire en l’absence d’oxygène).
Le processus de fabrication de ces fibres varie considérablement d’un fabricant à l’autre. La qualité et les propriétés chimiques et mécaniques dépendent en grande partie du mode de synthèse et de fabrication, ainsi que de la manière dont les fibres sont entrelacées lors de la préparation des feuilles qui formeront ultérieurement le composite. Pour cette raison, les composites en fibre de carbone peuvent être trouvés dans différentes présentations et avec des gammes de prix très variées.
Stratifié de fibres de carbone
Les fibres de carbone peuvent être introduites dans la matrice plastique sous forme de feuilles contenant des fibres unidirectionnelles, qui sont stratégiquement orientées pour renforcer la pièce finale dans certaines directions. La résistance mécanique des fibres se fait essentiellement selon son axe, donc si l’on veut fabriquer une pièce résistante à la flexion dans différentes directions, il faut nécessairement introduire dans le matériau des fibres qui traversent la pièce dans lesdites directions.
Ce dernier est généralement accompli de l’une des deux manières. La première, qui est la moins onéreuse, consiste à prendre des nappes dont les fibres sont toutes orientées dans le même sens et à les empiler dans des orientations différentes. Une sélection très courante et efficace consiste à empiler trois feuilles placées à des angles de 0°, +60° et -60° les unes par rapport aux autres. Cette configuration permet une résistance relativement uniforme dans toutes les directions avec un minimum de couches de fibres de carbone.
Une autre option très courante, bien que beaucoup plus coûteuse, consiste à utiliser des feuilles de fibres de carbone tissées perpendiculairement, c’est-à-dire de la même manière que les fils sont tissés pour fabriquer un tissu. Contenir des fibres dans deux directions perpendiculaires renforce déjà le matériau dans deux directions, mais le tissage ajoute le grand avantage de réduire considérablement la tendance des feuilles à se séparer les unes des autres lorsque le matériau est soumis à une tension et à une flexion, ce qui est un type très courant. de défaillance dans ce type de matériaux stratifiés.
Fabrication de pièces avec des compounds CFRP à rapport résistance/poids élevé ;
Comme mentionné précédemment, les pièces sont fabriquées en laminant les fibres de carbone entrecoupées d’un certain type de résine, mais la forme générale de la pièce est donnée à l’aide de moules. En effet, le processus de fabrication consiste à commencer par une couche de résine sur la surface interne du moule, puis on place une feuille de fibre de carbone qui sera visible de l’extérieur, puis une autre couche de résine et le processus est répété.
Dans le cas de la fabrication de pièces ne nécessitant pas de forces particulièrement élevées, il suffit généralement de presser les moules pendant que la résine durcit, et dans certains cas, elle est également généralement chauffée. Cependant, lorsqu’il s’agit de pièces critiques qui doivent avoir la résistance maximale possible, comme les parties du fuselage d’un avion ou les ailes d’une voiture de Formule 1, les pièces doivent être soumises au vide pour éliminer d’éventuelles bulles dans la structure. . qui peuvent affecter ses performances.
De plus, dans ces cas, les pièces sont également généralement recuites dans un autoclave pour durcir la résine plus rapidement. Cette exigence rend la fabrication de pièces en fibre de carbone très coûteuse ; Cela ne veut pas dire que les feuilles de fibre de carbone sont déjà considérablement chères.
Cet inconvénient, ainsi que d’autres associés à la conductivité du matériau et aux multiples modes de défaillance difficiles à modéliser lors des étapes de conception des pièces, signifient que les composites CFRP ne peuvent pas être utilisés à leur plein potentiel dans de nombreuses applications clés. Un exemple de cela a été vu lorsque SpaceX a abandonné son intention de construire son prochain vaisseau spatial phare, le Starship, en fibre de carbone. Il était tout simplement trop coûteux et peu pratique de construire un autoclave suffisamment grand pour construire les différents composants du vaisseau spatial, ils ont donc décidé d’utiliser de l’acier inoxydable à la place, ce qui est un choix peu orthodoxe dans l’industrie aérospatiale.
Propriétés des composites CFRP
Il existe de nombreuses propriétés uniques des composites CFRP qui sont exploitées dans une variété d’applications. Certaines d’entre elles sont:
- C’est un matériau très léger et très résistant. Il a un rapport résistance/poids beaucoup plus élevé que l’acier et même le titane.
- Ils ont un module très élevé de rapport élasticité-poids, également plus élevé que n’importe quel métal.
- C’est un matériau à haute résistance à la fatigue.
- La matrice polymère et les fibres de carbone qu’elle contient sont chimiquement inertes, ce qui confère aux composites CFRP une très bonne résistance à la corrosion.
- Son coefficient de dilatation thermique est très faible, ce qui signifie que les pièces en composite CFRP subissent très peu de déformation lorsqu’elles sont chauffées ou refroidies.
- Ils ont une conductivité électrique. Le graphite est un très bon conducteur et les fibres de carbone sont essentiellement du graphite, donc les composés qui les contiennent conduisent l’électricité, notamment dans le sens des fibres. Selon l’application, cela peut être à la fois bon et mauvais.
En plus de ces propriétés, les composites CFRP possèdent également des propriétés supplémentaires qui peuvent être désavantageuses selon l’application particulière :
- Ils sont sensibles à la lumière ultraviolette (UV). La lumière UV est capable de favoriser une grande variété de réactions chimiques par les radicaux libres qui dégradent à la fois la plupart des résines polymères et des fibres de carbone, détruisant leurs propriétés mécaniques. Ceci est généralement résolu avec une couche de peinture qui absorbe le rayonnement avant qu’il n’atteigne le composé.
- De manière générale, les composites CFRP ont une faible résistance aux chocs.
- En termes de défaillance des matériaux, lorsque les composites CFRP sont poussés à la limite de leur résistance, la défaillance est souvent catastrophique car les fibres de carbone sont cassantes. Les modes de défaillance comprennent le délaminage (lorsque les feuilles de fibres se séparent les unes des autres) et la rupture des fibres.
Les propriétés des composites CFRP sont anisotropes.
Il convient de noter que la plupart des propriétés susmentionnées des composites CFRP sont anisotropes, ce qui signifie qu’elles ne sont pas uniformes dans tout le matériau et qu’elles dépendent de la direction dans laquelle elles sont mesurées. Ceci est une conséquence du fait qu’ils sont constitués de fibres ordonnées qui suivent des directions bien définies. Par conséquent, les caractéristiques du matériau selon ces directions sont très différentes des caractéristiques selon différentes directions.
Par exemple, le module en traction d’un composite CFRP avec 70% de fibres de carbone dans une résine époxy vaut seulement 10,3 GPa dans le sens perpendiculaire aux fibres, alors que dans le sens axial ou longitudinal le même module vaut 181 GPa. La différence de résistance à la traction ou à la traction est encore plus spectaculaire, présentant une valeur de 40 MPa dans le sens perpendiculaire aux fibres alors que dans le sens longitudinal elle est de 1 500 MPa, soit près de 40 fois plus élevée. Enfin, le coefficient de dilatation de ce composé est 112,5 fois plus faible le long des fibres que dans le sens perpendiculaire.
Applications courantes des composites CFRP
Bien que les composites CFRP soient utilisés dans une multitude de produits haut de gamme (car il s’agit d’un matériau beaucoup plus cher que la plupart des autres options), les composites CFRP sont principalement utilisés dans quatre industries :
dans l’industrie aérospatiale
La première fois que ces composés ont été utilisés dans la fabrication d’avions, c’était dans les années 1950, et leur utilisation dans l’industrie n’a fait qu’augmenter. Les modèles d’avions de ligne 767 et 777 de Boeing contiennent respectivement 3 % et 7 % de composés CFRP. Dans ces cas, ils ont été utilisés dans certains composants structurels. En revanche, dans le cas du nouveau modèle Boeing 787 Dreamliner, l’ensemble du fuselage et des ailes sont en fibre de carbone et ce matériau représente 50% du poids et 80% du volume dudit avion ; cette tendance s’observe également chez d’autres avionneurs.
D’autre part, malgré le fait que SpaceX ait abandonné la fibre de carbone pour son Starship, une autre société aérospatiale privée appelée Rocket Lab vient d’annoncer la construction de sa nouvelle fusée, la Neutron, qui sera une fusée réutilisable entièrement en fibre de carbone.
Dans l’industrie automobile
Pendant des années, les voitures de course les plus rapides au monde ont été construites en fibre de carbone. Ce n’est pas seulement une partie de l’extérieur, étant le matériau principal qui forme la carrosserie et les ailes qui maintiennent les voitures collées au sol lorsqu’elles accélèrent, mais aussi dans le châssis. En fait, entre 60% et 70% du poids structurel d’une voiture de Formule 1 McLaren est composé de fibre de carbone (sans compter le moteur, les roues et la transmission).
Dans le cas des voitures à usage privé, seules les voitures haut de gamme telles que les voitures de sport de luxe utilisent de la fibre de carbone dans une partie de leur carrosserie ou de leur structure.
Industrie navale
Leur faible poids et leur haute résistance à la corrosion rendent les composites CFRP idéaux pour la construction de bateaux légers et de bateaux ultra-rapides. Cependant, aujourd’hui, ils sont de plus en plus utilisés dans la construction de navires plus grands, y compris des yachts et des navires à usage professionnel.
En plus de la résistance chimique qui nécessite moins d’entretien, les économies de poids sont l’une des principales raisons pour lesquelles ce matériau pénètre dans cette industrie, remplaçant d’autres options telles que l’aluminium, l’acier et même d’autres composés polymères tels que la fibre de verre.
Dans les sports hautement compétitifs
L’une des applications les plus courantes et les plus visibles de la fibre de carbone dans le sport est la construction de cadres de vélos hautes performances. Quelle que soit la branche du cyclisme, qu’il s’agisse de VTT, de descente ou de vélo de route pour le Tour de France, les meilleurs vélos sont presque entièrement fabriqués en fibre de carbone.
D’autre part, la fibre de carbone est également omniprésente dans les éléments de structure fins qui doivent être très résistants comme les clubs de golf haut de gamme, les cannes à pêche de compétition, les raquettes de tennis et même les raquettes de ping-pong ou de ping-pong.
Les références
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