Pièces en fibre de carbone

Toutes les fibres de carbone ne sont pas créées égales
La plupart des pièces en fibre de carbone sont au départ un chiffon sec, qui est combiné à une résine liquide. La résine durcit pour former un polymère solide, permettant au tissu de conserver sa forme et de devenir une pièce rigide en fibre de carbone. La première chose à savoir à propos de la fibre de carbone est que toutes les fibres de carbone ne sont pas égales. Cette déclaration ne fait pas référence aux différents types de tissage de tissu ou au nombre de fibres comme 3k, 6k ou 12k, mais plutôt au grade de fibre et à la qualité du tissu lui-même.
La fibre de carbone est généralement vendue sous forme de rouleau de tissu tissé. Il existe de nombreux modèles de tissage de tissus différents parmi lesquels choisir pour s'adapter à différentes applications. Le tissu lui-même est constitué de faisceaux de fibres appelés « étoupes » qui sont tissés ou cousus ensemble. Dans chaque faisceau de fibres se trouvent des filaments individuels en fibre de carbone plus petits qu'un cheveu humain. Ces filaments sont classés selon leur qualité. La qualité joue un rôle important dans la résistance et la rigidité d'une pièce en fibre de carbone.
À l’extrémité inférieure du spectre se trouve la fibre de carbone « de qualité commerciale », ce qui est assez courant. Il s'agit généralement du coût le plus bas, mais sa résistance et sa rigidité sont également inférieures à celles des fibres de carbone de qualité supérieure. Leur qualité T300, surlignée en orange, est souvent considérée comme une fibre de qualité commerciale.
La résine est aussi importante que la fibre
Comme mentionné précédemment, la fibre de carbone est au départ un tissu sec, et elle ne peut devenir une pièce rigide qu'en étant associée à une résine sous forme de matériau composite. Le terme approprié pour désigner le composant résine d'un matériau composite est en fait le « matériau de matrice » ou simplement la « matrice », mais pour cet article, il sera appelé résine. Une analogie simplifiée serait de comparer le composite de fibre de carbone au béton et aux barres d’armature. Les fibres supportent des charges de traction similaires à celles des barres d'armature, et la résine permet au tissu de conserver sa forme et de supporter des charges de compression similaires à celles du béton. Un pont ou un bâtiment ne serait pas construit uniquement avec du béton ou des barres d’armature. Les deux sont nécessaires pour obtenir la pleine résistance requise dans une structure.
Dans le cas d’une pièce en fibre de carbone, il en va de même. Sans résine, aucune pièce rigide en fibre de carbone ne pourrait être créée. En ce sens, la résine est le véritable héros méconnu de toute pièce en fibre de carbone, et sélectionner la bonne résine est tout aussi critique que sélectionner la bonne fibre de carbone.
Il est important de ne pas se concentrer uniquement sur la fibre de carbone et d’oublier ensuite le type de résine qui sera utilisé. Une résine a été testée et prétendait maintenir une résistance jusqu'à 300F, mais lorsqu'elle était testée à des températures élevées, elle se ramollissait et permettait aux pièces de se plier à des températures aussi basses que 200F. La fibre de carbone faisait son travail, mais pas la résine.
Les fibres de carbone peuvent être recouvertes pour améliorer l'adhérence
Les fabricants de fibres de carbone ajoutent des agents de couplage spéciaux (également appelés agents de « finition » ou « d'encollage ») à leurs tissus pour aider la résine à y adhérer. Selon la résine sélectionnée, il se peut qu'elle ne veuille pas mouiller la fibre de carbone et s'y lier chimiquement. Le principe est similaire à la façon dont l’huile et l’eau ne se mélangent pas. Cette même situation serait indésirable lors de la combinaison de fibre de carbone et de résine, c'est pourquoi un agent de couplage est appliqué aux fibres pour permettre aux deux matériaux de travailler ensemble.
La chimie spécifique des agents de couplage est souvent gardée secrète par les fabricants de fibres de carbone. Ils masqueront le revêtement spécifique et divulgueront uniquement la chimie générale avec laquelle le revêtement est compatible. Un exemple mettant en évidence la compatibilité des agents de couplage est présenté dans le graphique Hexcel ci-dessus. Gardez l'agent de couplage à l'esprit lorsque vous expérimentez avec des matériaux matriciels non conventionnels.
Le processus détermine les propriétés
Il existe de nombreuses façons différentes de fabriquer des pièces en fibre de carbone, comme la superposition humide, l'infusion, le préimprégné ou même l'impression 3D. Ces méthodes permettront toutes de fabriquer des pièces avec différents rapports fibre/résine et différentes quantités de défauts, ce qui se traduira par des propriétés de résistance et de rigidité différentes dans la pièce finale. La température à laquelle la pièce est durcie affecte également les propriétés de la pièce finale.
Il n’existe pas de « meilleure » approche officielle pour fabriquer une pièce en fibre de carbone. La meilleure méthode dépend vraiment de la conception de la pièce et des objectifs de fabrication. Il y a des avantages et des inconvénients pour chaque méthode.
Par exemple, le placage humide est peu coûteux et facile à réaliser, mais il en résulte généralement des pièces aux propriétés physiques incohérentes et généralement plus lourdes que celles obtenues avec d'autres techniques de fabrication de composites.
La fibre de carbone préimprégnée peut produire des pièces légères et de haute qualité, mais cette méthode nécessite souvent des outils plus coûteux comme des congélateurs et des autoclaves. Il y a également moins de résines et de combinaisons de tissages parmi lesquelles choisir. La résine préimprégnée a également une durée de conservation, ce qui signifie que le matériau préimprégné peut expirer et doit être jeté s'il n'est pas utilisé pendant sa durée de conservation.
Les tests physiques sont essentiels
La fibre de carbone n'est pas comme le métal. Les métaux sont généralement isotropes, ce qui signifie qu'ils ont les mêmes propriétés dans toutes les directions, ce qui simplifie la conception et l'analyse. De plus, les propriétés mécaniques mesurées sont bien établies pour les alliages métalliques courants. On ne peut pas en dire autant des composites en raison de leur standardisation limitée et de la large gamme de variables de matériaux et de processus dans les composites. Cela signifie que des tests doivent être effectués pour vérifier que les pièces composites répondent aux exigences souhaitées.
Dans le domaine aérospatial, l’une des meilleures façons de réaliser des tests sur les composites est de suivre « l’approche par éléments de base ». Cette méthode commence par tester des coupons et des éléments génériques pour créer une base de données des propriétés des matériaux. Ces données sont utilisées pour piloter la conception et les tests de composants plus grands, puis de sous-ensembles et enfin de structures complètes. Chaque article d'essai doit être représentatif des matériaux et du procédé utilisés dans la structure finale.
Il existe une idée fausse selon laquelle les pièces en fibre de carbone peuvent être validées uniquement par simulation. Les outils d'analyse tels que l'analyse par éléments finis (FEA) peuvent aider à guider la conception de pièces composites, mais ils s'appuient sur des données de propriétés des matériaux qui doivent être précises pour obtenir des résultats fiables. La meilleure façon d’obtenir des chiffres précis pour ces variables d’entrée consiste à effectuer des tests physiques sur des échantillons de test composites représentatifs. Sans données précises, les résultats de l’analyse auront une utilité limitée. De grandes marges de sécurité doivent être ajoutées à une conception pour tenir compte d'une quantification non raffinée des propriétés des matériaux. Cela ajoute du poids, annulant finalement l'une des principales raisons pour lesquelles les matériaux composites sont sélectionnés en premier lieu. Il n’existe donc aucun moyen d’éliminer complètement les tests physiques du processus de conception d’une structure composite optimisée.