Caractéristiques de la fibre de carbone
La réputation de la fibre de carbone en tant que matériau a pris des proportions mystiques ! Non seulement elle a la réputation d’être la meilleure et la plus solide, mais il est également devenu cool d’avoir quelque chose en fibre de carbone !
Je ne prétends pas être un expert. Cet article combine des informations que j’ai trouvées dans mes recherches sur la fibre de carbone, je ne suis pas une source primaire. J’essaie d’être précis mais je FAIS DES ERREURS, je sais que cela peut surprendre certains d’entre vous, mais c’est ainsi. Si vous envisagez de construire un mât ou d’autres choses liées au bateau, faites vos recherches. Consultez un expert, et soyez prudent. Amusez-vous bien.
Premièrement, qu’est-ce que la fibre de carbone
La fibre de carbone, sans surprise, est constituée de cristaux de carbone alignés dans un axe long. Ces cristaux en forme de nid d’abeille s’organisent en longs rubans aplatis. Cet alignement des cristaux rend le ruban solide dans l’axe long. À leur tour, ces rubans s’alignent dans les fibres. La forme de la fibre est la forme originale du matériau (son précurseur) utilisé pour produire la fibre de carbone. Je ne connais pas de procédé dans lequel les fibres sont formées APRÈS la carbonisation. Ces fibres (contenant des rubans plats de cristaux de carbone) sont à leur tour regroupées par le fabricant en fibres plus épaisses et sont tissées en tissu de carbone, transformées en feutre, torsadées ou regroupées sans torsion. C’est ce qu’on appelle le Roving. La fibre de carbone est également proposée sous forme de brins coupés et de poudre.
Afin de modifier les caractéristiques du lay up, d’autres matériaux sont parfois ajoutés comme des fibres de verre, du Kevlar ou de l’Aluminium. La fibre de carbone est rarement utilisée telle quelle. Elle est plutôt incorporée dans une matrice. Dans la fabrication de mâts et la construction de bateaux, on pense généralement aux résines époxy ou polyester, mais la fibre de carbone est également utilisée comme renfort pour les thermoplastiques, le béton ou la céramique.
Fabrication de la fibre de carbone
Il existe plusieurs méthodes de fabrication de la fibre de carbone, mais essentiellement, elles commencent toutes par la fabrication de fibres à partir d’un matériau précurseur riche en carbone. La taille et la forme originales de la fibre resteront dans la fibre de carbone finie, mais la structure chimique intérieure aura été fortement modifiée par les différents cycles de chauffage. Les premières étapes consistent à carboniser et à étirer les fibres précurseurs, qu’il s’agisse de PAN (polyacrylonitrile), de Pitch ou de Rayon. Il y a plusieurs cycles de chauffage à des températures variables sans oxygène. Ce processus élimine la plupart des autres éléments (principalement l’hydrogène et l’azote) du matériau de départ, laissant le carbone derrière lui. Il permet également au carbone de se cristalliser progressivement en forme de nid d’abeille caractéristique. Si vous ne l’avez pas encore vu, allez sur ma page Recherche sur le carbone et regardez la vidéo sur la structure de la fibre de carbone. c’est fabuleux.
Cette vidéo Youtube montre la fabrication de la fibre de carbone et vaut le coup d’œil.
Les facteurs les plus importants qui déterminent les propriétés physiques de la fibre de carbone sont le degré de carbonisation (teneur en carbone, généralement supérieure à 92% en poids) et l’orientation des plans de carbone en couches (les rubans). Les fibres sont produites commercialement avec une large gamme de variations de contenu cristallin et amorphe pour modifier ou favoriser les différentes propriétés.
Selon le matériau de départ et le processus de carbonisation, la fibre de carbone est modifiée pour répondre à l’objectif final. Le PAN ou polyacrylonitrile est le précurseur le plus courant pour les composites plastiques.
Les principales variations de caractéristiques sont la résistance par rapport à la rigidité. En utilisant différents cycles de chauffage, l’une ou l’autre peut être accentuée. Des recherches sont en cours pour modifier d’autres caractéristiques comme la conductivité thermique et électrique.
Non seulement la structure interne des fibres est importante mais la façon dont elles sont alignées dans les produits finis a un impact énorme sur les propriétés de l’article fabriqué. Un alignement correct des fibres de carbone est essentiel pour maximiser leurs avantages.
Les propriétés des fibres de carbone, qu’est-ce qu’on ne peut pas aimer ! !!
- Haut rapport résistance/poids
- Rigidité
- Résistance à la corrosion
- Conductivité électrique
- Résistance à la fatigue
- Bonne résistance à la traction mais… fragile
- Résistance au feu/pas inflammable
- Haute conductivité thermique sous certaines formes
- Faible coefficient de dilatation thermique
- Non toxique
- Inerte biologiquement
- X-.Perméable aux rayons
- Relativement coûteux
- Requiert une expérience et un équipement spécialisés pour être utilisé.
Je n’ai pas écrit en détail, mais la fibre de carbone est autolubrifiante, elle a également une excellente propriété de blindage EMI (interférence électromagnétique)
1- La fibre de carbone a un rapport résistance/poids élevé (également connu sous le nom de résistance spécifique)
La résistance d’un matériau est la force par unité de surface à la rupture, divisée par sa densité. Tout matériau qui est solide ET léger a un rapport Force/Poids favorable. Des matériaux tels que l’aluminium, le titane, le magnésium, la fibre de carbone et de verre, les alliages d’acier à haute résistance ont tous un bon rapport résistance/poids. Il n’est pas surprenant que le bois de balsa vienne avec un rapport résistance/poids élevé.
Les chiffres suivants sont offerts à titre de comparaison seulement et varieront selon la composition, l’alliage, le type d’araignée, la densité du bois, etc. Les unités sont les kN.m/kg.
| Fibre spectrale | 3619 |
| Kevlar | 2514 |
| Fibre de carbone | 2457 |
| Fibre de verre | 1307 |
| Soie d’araignée | 1069 |
| Composite carbone-époxy | 785 |
| Balsa charge axiale | 521 |
| Alliage d’acier | 254 |
| Alliage d’aluminium | 222 |
| polypropylène | 89 |
| Chêne | 87 |
| Nylon | 69 |
Notez que la résistance et la rigidité sont des propriétés différentes, la résistance est la résistance à la rupture, la rigidité est la résistance à la flexion ou à l’étirement.
En raison de la façon dont les cristaux de la fibre de carbone s’orientent en longs rubans plats ou en feuilles étroites de cristaux en nid d’abeille, la résistance est plus élevée en courant dans le sens de la longueur qu’en travers de la fibre. C’est pourquoi les concepteurs d’objets en fibre de carbone spécifient le sens dans lequel la fibre doit être posée afin de maximiser la résistance et la rigidité dans une direction spécifique. La fibre étant alignée avec la direction de la plus grande contrainte.
La fibre de carbone précurseur à base de poix a une résistance plus élevée que la fibre de carbone à base de brai qui a une plus grande rigidité.
2- La fibre de carbone est très rigide
La rigidité ou la raideur d’un matériau est mesurée par son module de Young et mesure combien un matériau dévie sous la contrainte. Le plastique renforcé de fibres de carbone est plus de 4 fois plus rigide que le plastique renforcé de verre, presque 20 fois plus que le pin, 2,5 fois plus que l’aluminium. Pour plus d’informations sur la rigidité et la façon dont elle est mesurée, plus un tableau de comparaison de différents matériaux, voir ma page sur le module de Young.
Souvenez-vous que la contrainte est la force, la déformation est la déviation telle que la flexion ou l’étirement
3- La fibre de carbone est résistante à la corrosion et chimiquement stable.
Bien que les fibres de carbone elles-mêmes ne se détériorent pas de façon mesurable, l’époxy est sensible à la lumière du soleil et doit être protégé. D’autres matrices (quel que soit ce dans quoi la fibre de carbone est incorporée) pourraient également être réactives.
Les fibres de carbone peuvent être affectées par des agents oxydants forts
Les composites fabriqués à partir de fibres de carbone doivent être soit fabriqués avec de l’époxy résistant aux UV (peu commun), soit recouverts d’une finition résistante aux UV comme les vernis.
4- La fibre de carbone est électriquement conductrice
Cette caractéristique peut être utile ou être une nuisance. Dans la construction de bateaux, la conductivité doit être prise en compte tout comme la conductivité de l’aluminium entre en jeu. La conductivité de la fibre de carbone peut faciliter la corrosion galvanique dans les raccords. Une installation soignée peut réduire ce problème.
La poussière de fibre de carbone peut s’accumuler dans un atelier et provoquer des étincelles ou des courts-circuits dans les appareils et équipements électriques.
Il y a actuellement pas mal de R&D sur l’utilisation de la conductivité électrique de la fibre de carbone pour produire de la chaleur soit pour accélérer le durcissement des matériaux composites, soit pour les capacités de chauffage elles-mêmes. Cela pourrait avoir une application dans les vêtements d’hiver ou les vêtements destinés à des environnements difficiles.
Voici un document de recherche sur les textiles conducteurs et leur utilisation dans la détection des blessures au combat. Fichier PDF
5- La résistance à la fatigue est bonne
La résistance à la fatigue dans les composites en fibre de carbone est bonne. Cependant, lorsque la fibre de carbone échoue, elle échoue généralement de manière catastrophique sans signes extérieurs significatifs pour annoncer sa défaillance imminente.
Les dommages en fatigue de traction sont vus comme une réduction de la rigidité avec un plus grand nombre de cycles de contrainte, (à moins que la température soit élevée)
Les tests ont montré que la défaillance est peu susceptible d’être un problème lorsque les contraintes cycliques coïncident avec l’orientation de la fibre. La fibre de carbone est supérieure au verre E en ce qui concerne la résistance à la fatigue et la résistance statique ainsi que la rigidité.
L’orientation des fibres ET l’orientation des différentes couches de fibres, ont une grande influence sur la façon dont un composite résistera à la fatigue (comme il l’a fait pour la rigidité). Le type de forces appliquées entraîne également différents types de défaillances. Les forces de tension, de compression ou de cisaillement entraînent toutes des résultats de défaillance nettement différents.
Document du Oak Ridge National Laboratory, sur le test des composites en fibre de carbone destinés à l’automobile. American Institute of Aeronautics and Astronautics, test pour les matériaux à utiliser dans les pales d’éoliennes.
6- La fibre de carbone a une bonne résistance à la traction
La résistance à la traction ou résistance ultime, est la contrainte maximale qu’un matériau peut supporter en étant étiré ou tiré avant de se rétrécir, ou de défaillir. Le rétrécissement est le moment où la section transversale de l’échantillon commence à se contracter de manière significative. Si vous prenez une bande de sac plastique, elle s’étire et, à un moment donné, commence à se rétrécir. C’est le rétrécissement. La résistance à la traction est mesurée en force par unité de surface. Les matériaux fragiles tels que la fibre de carbone ne se rompent pas toujours au même niveau de contrainte en raison de défauts internes. Ils se brisent à de petites déformations. (en d’autres termes, il n’y a pas beaucoup de flexion ou d’étirement avant une défaillance catastrophique) Module de Weibull des matériaux fragiles
Les essais consistent à prendre un échantillon avec une surface de section transversale fixe, puis à le tirer en augmentant progressivement la force jusqu’à ce que l’échantillon change de forme ou se casse. Les fibres, telles que les fibres de carbone, n’ayant qu’un diamètre de 2/10 000e de pouce, sont transformées en composites de formes appropriées afin d’être testées.
Les unités sont des MPa Ce tableau est proposé uniquement à titre de comparaison car il existe un grand nombre de variables.
| Acier au carbone 1090 | 650 |
| Polyéthylène haute densité (PEHD) | 37 |
| Polypropylène | 19.7-80 |
| Polyéthylène haute densité | 37 |
| Acier inoxydable AISI 302 | 860 |
| Alliage d’aluminium 2014-.T6 | 483 |
| Alliage d’aluminium 6063-T6 | 248 |
| E-Verre seul | 3450 |
| E-Verre dans un stratifié | 1500 |
| Fibre de carbone seule | 4127 |
| Fibre de carbone dans un stratifié | 1600 |
| Kevlar | 2757 |
| Bois de pin (parallèle au grain) | 40 |
NOTE : Lorsque l’on teste la fibre de carbone, et d’autres fibres et matériaux non homogènes, il faut faire des échantillons qui soient cohérents et comparables. Ce n’est pas une procédure simple. Si vous lisez des recherches où la résistance/rigidité est comparée, les chercheurs expliquent toujours comment leurs échantillons ont été fabriqués, y compris le type de matrice, l’alignement des fibres, le rapport entre les fibres et la matrice, entre autres facteurs. Cette difficulté explique pourquoi les mesures peuvent varier assez fortement entre les résultats des recherches.
7- Résistance au feu/non inflammable
Voici un article sur le recyclage de la fibre de carbone en brûlant la matrice.
La fibre de carbone est classée comme non inflammable et n’a pas de point d’éclair répertorié. Si elle est exposée à une chaleur élevée en présence d’un combustible qui brûle, elle peut éventuellement s’oxyder mais dès que la flamme et le combustible sont retirés, la flamme ne continue pas.
Parce que la fibre de carbone est presque toujours utilisée dans une matrice telle que l’époxy, le plastique ou le béton, la tolérance de la matrice à une température élevée est le facteur le plus significatif.
Selon le procédé de fabrication et le matériau précurseur, la fibre de carbone peut être rendue assez douce à la main et peut être fabriquée ou plus souvent intégrée dans des vêtements de protection pour la lutte contre l’incendie. La fibre revêtue de nickel en est un exemple. Comme la fibre de carbone est aussi chimiquement très inerte, elle peut être utilisée là où il y a du feu combiné à des agents corrosifs.BLANCHET DE SOUDURE EN FEUTRE HAUTE TEMPERATURE – NOIR, 18″ X 24″
8- Conductivité thermique de la fibre de carbone
Voir mon article sur la conductivité thermique des matériaux à base de carbone, y compris la fibre de carbone, les nanotubes et le graphène.
La conductivité thermique est la quantité de chaleur transmise à travers une unité d’épaisseur, dans une direction normale à une surface d’unité de surface, en raison d’un gradient de température unitaire, dans des conditions stables. En d’autres termes, c’est une mesure de la facilité avec laquelle la chaleur circule à travers un matériau.
Il existe un certain nombre de systèmes de mesures selon les unités métriques ou impériales.
1 W/(m.K) = 1 W/(m.oC) = 0,85984 kcal/(hr.m.oC) = 0,5779 Btu/(ft.hr.oF)
Ce tableau est uniquement destiné à la comparaison. Les unités sont W/(m.K)
| Air | .024 |
| Aluminium | 250 |
| Béton | .4 – .7 |
| Acier au carbone | 54 |
| Isolation en laine minérale | .04 |
| Plywood | .13 |
| Quartz | 3 |
| Pyrex Glass | 1 |
| Pine | .12 |
| Epoxy renforcé de fibres de carbone | 24 |
Parce qu’il existe de nombreuses variations sur le thème de la fibre de carbone, il n’est pas possible de déterminer exactement la conductivité thermique. Des types spéciaux de fibre de carbone ont été conçus spécifiquement pour une conductivité thermique élevée ou faible. Des efforts sont également déployés pour améliorer cette caractéristique.
La Société d’information sur les matériaux a une page sur le « graphite » AKA fibre de carbone
9- Faible coefficient de dilatation thermique
C’est une mesure de la quantité de dilatation et de contraction d’un matériau lorsque la température monte ou descend.
Les unités sont en pouce / pouce degré F, comme dans d’autres tableaux, les unités ne sont pas si importantes que la comparaison.
| Acier | 7 |
| Aluminium | 13 |
| Kevlar | 3 ou moins |
| Fibre de carbone tissée | 2 ou moins |
| Fibre de carbone unidirectionnelle | moins 1 à +8 |
| Fibre de verre | 7-8 |
| Laiton | 11 |
La fibre de carbone peut avoir une large gamme de CTE, -1 à 8+, selon la direction mesurée, le tissage du tissu, le matériau précurseur, à base de Pan (haute résistance, CTE plus élevé) ou à base de Pitch (haut module/rigidité, CTE plus faible).
Dans un mât assez haut, les différences de Coefficient de dilatation thermique des divers matériaux peuvent modifier légèrement les tensions du gréement.
Le faible Coefficient de dilatation thermique rend la fibre de carbone appropriée pour les applications où les petits mouvements peuvent être critiques. Les télescopes et autres machines optiques sont une de ces applications.
10-11-12 Non toxique, biologiquement inerte, perméable aux rayons X
Ces qualités rendent la fibre de carbone utile dans les applications médicales. L’utilisation de prothèses, d’implants et de réparation de tendons, d’instruments chirurgicaux accessoires de rayons X, sont tous en développement.
Bien que non toxiques, les fibres de carbone peuvent être assez irritantes et l’exposition non protégée à long terme doit être limitée. La matrice, soit époxy ou polyester, peut cependant être toxique et des précautions appropriées doivent être prises.
13- La fibre de carbone est relativement coûteuse
Bien qu’elle offre des avantages exceptionnels de résistance, de rigidité et de réduction du poids, le coût est un facteur dissuasif. À moins que l’avantage du poids soit exceptionnellement important, comme dans les applications aéronautiques ou les courses, cela ne vaut souvent pas le coût supplémentaire. Le faible besoin de maintenance de la fibre de carbone est un autre avantage.
Il est difficile de quantifier ce qui est cool et à la mode. La fibre de carbone a une aura et une réputation qui fait que les consommateurs sont prêts à payer plus pour le cachet de l’avoir.
Vous pourriez en avoir besoin de moins par rapport à la fibre de verre et cela pourrait être une économie.
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14- Les fibres de carbone sont fragiles
Les couches des fibres sont formées par de fortes liaisons covalentes. Les agrégations en forme de feuille permettent facilement la propagation de fissures. Lorsque les fibres se plient, elles cèdent à une très faible déformation. En d’autres termes, la fibre de carbone ne se plie pas beaucoup avant de se rompre.
Effet de la variation du rapport entre la fibre de carbone et la matrice
15- La fibre de carbone n’est pas encore adaptée aux techniques des amateurs.
Pour maximiser les caractéristiques de la fibre de carbone, il faut atteindre un niveau d’excellence technique relativement élevé. Les imperfections et les bulles d’air peuvent affecter de manière significative les performances. Généralement, des autoclaves, ou des équipements sous vide sont nécessaires. Les moules et les mandrins sont également des dépenses importantes.
Le succès de toute construction amateur en fibre de carbone sera étroitement lié à la compétence et au soin apporté.
Voici un lien vers une vidéo YouTube par Easy Composite Ltd sur diverses techniques utilisant la fibre de carbone. Ils ont un certain nombre de vidéo d’instruction.
Cet article est un travail en cours. Je continuerai à ajouter des informations et à affiner le texte au fur et à mesure que j’explore le sujet. Les informations que j’ai présentées proviennent de diverses sources. J’ai essayé de les vérifier quand je le pouvais. J’essaie d’utiliser des « sources fiables » telles que les données du fabricant, les documents de recherche ou les articles universitaires. Je m’appuie également sur Wikipédia pour avoir une vue d’ensemble.
Bon article de l’Université du Tennessee sur la production de fibres de carbone.
Christine.
Envoie-moi un courriel si tu trouves des erreurs, je les corrigerai et nous en profiterons tous : Christine
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