Les matériaux composites en fibre de carbone sont de plus en plus utilisés dans divers domaines

La fibre de carbone est un matériau en fibre polymère inorganique ultra-léger et à haute résistance avec une teneur en carbone de plus de 95 %. Il est plus résistant que l’acier et plus léger que l’aluminium. Il conserve non seulement les caractéristiques inhérentes des matériaux carbonés, mais possède également la facilité de traitement douce des matériaux fibreux. C'est un matériau « doux à l'extérieur et rigide à l'intérieur ».

Aujourd’hui, nous trouvons presque chaque jour de nouvelles utilisations pour la fibre de carbone. Ces minuscules filaments, qui se présentent actuellement sous diverses formes fonctionnelles, ne font qu’un dixième de l’épaisseur d’un cheveu humain. Les fibres sont transformées en tissus qui peuvent être utilisés dans des processus de moulage ultérieurs et transformés en tubes et feuilles pour la construction, ou sous forme de fils ordinaires pour l'enroulement filamentaire.

Au début, la fibre de carbone était principalement utilisée dans l’industrie militaire et aérospatiale. Après un développement continu, ses domaines d'application s'étendent aux domaines industriels et aux domaines civils ordinaires. Avec le développement rapide de la science et de la technologie, la fibre de carbone est également utilisée dans la réparation, le renouvellement et le renforcement des infrastructures, le développement de nouvelles énergies et la production d'hélices et de pales pour les éoliennes ; la fabrication de systèmes de freinage automobile, d'arbres rotatifs, de carrosseries automobiles, etc. ; les applications dans le domaine électronique comprennent principalement les antennes de haute précision pour les communications, la radiodiffusion, l'observation de la Terre, l'exploration spatiale et divers avions.

En termes de produits culturels et sportifs, les matériaux en fibre de carbone ont été promus depuis les cannes à pêche et les clubs de golf jusqu'aux raquettes de tennis, aux raquettes de badminton, aux équipements de sports de glace et de neige, aux équipements de sports nautiques, etc. Parmi eux, les clubs de golf, les raquettes de tennis et les cannes à pêche. sont des matériaux composites en fibre de carbone destinés aux articles de sport. Les produits des trois piliers représentent environ 80 % de ce type de produits.

01

Avantages des composites en fibre de carbone

Les matériaux composites remplacent peu à peu les matériaux traditionnels. Les matériaux composites courants constituent de bons substituts aux matériaux traditionnels tels que le métal et le bois dans divers domaines.

1. Les matériaux composites ont une résistance spécifique élevée

Les matériaux CFRP offrent un rapport résistance/poids, une résistance à la corrosion, une rigidité et une durabilité optimaux. En raison de sa faible densité et de sa résistance à la traction, la fibre de carbone constitue une excellente alternative aux métaux lourds comme l’acier car elle est légère. La résistance inhérente à la corrosion des résines thermodurcies permet aux produits CFRP d'avoir une durée de vie plus longue que les matériaux métalliques standard, car ils ne rouilleront pas et ne se corroderont pas.

La résistance spécifique élevée des matériaux composites constitue leur plus grand avantage. Bien que la fibre de carbone soit plus résistante et plus rigide que ces deux matériaux par unité de poids, elle pèse environ 25 % de l'acier et 70 % de l'aluminium. Les stratifiés composites multicouches absorbent plus d'énergie que les couches d'acier simples traditionnelles, permettant aux ingénieurs automobiles haut de gamme de réduire le poids du véhicule de 60 % tout en améliorant la sécurité en cas de collision.

2. Les matériaux composites offrent des possibilités pour de nouvelles conceptions

Les matériaux composites offrent des alternatives de conception difficiles à réaliser avec les matériaux traditionnels. Les matériaux composites peuvent renforcer les objets ; une seule pièce composite peut remplacer tout un assemblage de pièces métalliques.

Tout traitement de surface, du lisse au texturé, peut être imité en modifiant la texture de la surface. La fibre de verre pouvant être moulée dans une grande variété de modèles de bateaux, les matériaux composites constituent plus de 90 % des coques de bateaux de plaisance. Les économies à long terme grâce à ces avantages comprennent des coûts de maintenance réduits et des temps de production plus courts.

3. Les matériaux composites sont durables

Les matériaux composites ne rouilleront pas quelles que soient les conditions (bien qu’ils soient sensibles à la corrosion lorsqu’ils sont combinés avec des composants métalliques). Les composites sont plus résistants que la plupart des polymères mais plus résistants que les métaux.

Grâce à leur excellente stabilité dimensionnelle, ils conservent leur forme à chaud comme à froid, humide ou sec. Ils constituent donc le matériau de choix pour les structures extérieures telles que les pales d’éoliennes.

Les ingénieurs préfèrent les composites aux matériaux traditionnels car ils sont plus rentables pour entretenir et assurer la stabilité à long terme des bâtiments qui durent des décennies.

4. La fabrication de matériaux composites devient plus simple

Dans le passé, les ingénieurs devaient créer des composites au moyen de procédures de stratification complexes qui prenaient du temps et limitaient les géométries de conception. Aujourd’hui, cela a changé avec la fabrication de composites numériques (DCM).

Une méthode de fabrication unique appelée DCM permet de créer des pièces composites sans nécessiter de travail manuel. Avec DCM, les matériaux composites peuvent être personnalisés en trois dimensions, localement ou globalement, pour répondre à la résistance, à la densité et à la flexibilité idéales d'un projet. Grâce au DCM, les ingénieurs ont désormais la liberté d’imprimer en 3D et de concevoir des matériaux composites hautes performances.

En ajoutant des fibres hautement graphitées, les composites en fibres de carbone ont une conductivité thermique très élevée. Pour mieux éliminer la chaleur indésirable des machines électroniques, les matériaux composites renforcés de fibres de carbone sont également recommandés dans les systèmes électroniques.

02

Application de matériaux composites en fibre de carbone dans les produits de sport et de loisirs

Les domaines d'application des articles de sport en fibre de carbone peuvent être divisés en deux directions générales. L'un est le sport de compétition, qui met principalement l'accent sur une haute précision, plus élevée et plus rapide, et l'autre est utilisé pour la forme physique et les loisirs quotidiens, ce qui nécessite un rapport qualité-prix approprié. À l’heure actuelle, les produits les plus consommateurs de fibre de carbone dans le domaine des articles de sport sont :

1. Vélo

L'acier est le matériau le plus durable pour les vélos. Il a une bonne élasticité et un faible coût. Cependant, en raison de sa haute densité, il est facile de rouiller et de se fatiguer. L'alliage d'aluminium est un matériau couramment utilisé sur le marché. Il est léger et ne rouille pas. Cependant, son élasticité est trop mauvaise, il est facile de se fatiguer et le confort de conduite n'est pas bon. La densité de l'alliage de magnésium est inférieure à celle de l'alliage d'aluminium et ses propriétés de base sont similaires à celles de l'alliage d'aluminium. La résistance à la fatigue de l'alliage de titane est meilleure que celle des autres matériaux métalliques, mais le prix est élevé et la densité n'a aucun avantage. Les matériaux composites en fibre de carbone ont une résistance élevée, une bonne élasticité, une densité légère et une résistance à la corrosion. Les vélos fabriqués à partir de matériaux composites en fibre de carbone présentent les caractéristiques suivantes :

Réduit efficacement le poids total du vélo

La densité des composites à matrice de résine et de fibres de carbone n'est généralement que de 1,6. Il ne représente qu'un cinquième de l'acier et peut réduire le poids d'environ 40 % par rapport à l'aluminium. Il y a un dicton dans l'industrie du vélo selon lequel si le poids est réduit de 1 g, le prix peut augmenter de 1 $ US. Un cadre de vélo en composite de fibre de carbone est un quart plus léger qu'un cadre en alliage d'aluminium. Un poids léger peut réduire la perte d'énergie physique et augmenter la vitesse de conduite.

La rigidité globale de la carrosserie est élevée

Un cadre avec une bonne rigidité favorise la conversion de la force motrice et améliore les performances de maniabilité du vélo. Les vélos composites en fibre de carbone ont une structure solide et ne se déforment pas facilement. La pratique a prouvé que la rigidité de son cadre n'est pas inférieure à celle d'un cadre en acier au molybdène.

Bonne résistance aux chocs

La fréquence propre de la structure n’est pas seulement liée à la forme structurelle, mais également proportionnelle au carré du module spécifique du matériau. Une fréquence naturelle élevée peut éviter les dommages précoces causés par la résonance dans les conditions de travail. Selon les rapports, des tests sur des cadres de même forme et taille montrent qu'il faut 9 secondes pour qu'un cadre en alliage d'aluminium arrête de vibrer, tandis qu'un matériau composite en fibre de carbone avec une fréquence naturelle extrêmement élevée ne prend que 2,5 secondes pour s'arrêter. Le matériau composite présente de bonnes propriétés d'amortissement. Réduit les chocs du vélo et améliore le confort de conduite.

Bonne sécurité

La matrice des matériaux composites en fibres de carbone entoure les fibres de carbone indépendantes sous la forme d'une phase continue, formant un système dynamique et incertain. Lorsque le matériau est impacté, lorsqu'un petit nombre de fibres se brisent, la charge sera rapidement redistribuée aux fibres non cassées. De cette façon, la structure peut continuer à supporter la charge, ce qui améliore considérablement la sécurité de conduite. Il est difficile d’observer des signes évidents de dommages dus à la fatigue sur les matériaux métalliques en général, et les dommages sont souvent soudains. Cependant, les cadres composites en fibre de carbone ont une très bonne résistance à la fatigue et des signes évidents peuvent être observés avant les dommages. La recherche montre que le test de résistance aux chocs d'un cadre composite en fibre de carbone peut dépasser un million de fois.

Liberté accrue dans la conception structurelle

Les matériaux composites en fibre de carbone ont des caractéristiques anisotropes. Cette caractéristique des matériaux composites peut être utilisée pour disposer et poser les fibres en fonction de la direction et de la taille de la charge lorsque le vélo roule. La flexibilité de fabrication des matériaux composites facilite la conception de structures de formes variées. Par exemple, un vélo profilé peut être conçu selon des principes aérodynamiques, ce qui est beau et pratique, et peut facilement atteindre le meilleur rapport coût/performance.

Bonne résistance à la corrosion

Les matériaux polymères ont une bonne résistance aux acides, aux alcalis et à l’atmosphère industrielle. Par conséquent, les cadres de vélo fabriqués à partir de matériaux composites en fibre de carbone ont une excellente résistance à la corrosion acide et alcaline.

Récemment, le constructeur français de voitures de sport Bugatti et le fabricant néerlandais de vélos PG ont lancé conjointement le vélo le plus léger au monde. Le design de la moto est inspiré de la voiture de course sportive Chiron de Bugatti. Il est fabriqué à partir de matériaux composites en fibre de carbone et ne pèse que 11 livres (environ 4,99 kg). Selon Architectural Digestc, le vélo est composé à 95 % de matériaux composites en fibre de carbone.

L'Université technique tchèque de Prague utilise un processus automatisé d'enroulement de filaments combiné à la technologie de boucle intégrée (ILT) développée pour les connexions continues de tubes en fibre afin de produire des cadres de vélo, ainsi que des composants associés. L'ILT est un procédé qui combine des éléments composites structurels tels que des tubes avec des pièces de connexion. Toutes les pièces sont moulées en une seule pièce et assemblées ultérieurement.

2. Canne à pêche

Pour les amateurs de pêche, comment décider quelle canne à pêche est la meilleure ? Pour résumer, cela se traduit principalement en trois points : fin, léger et solide. Par conséquent, une canne à pêche offrant d’excellentes performances doit répondre à deux caractéristiques : une rigidité élevée et une légèreté.

Avec l'émergence et le développement de la fibre de carbone, elle fournit des cannes à pêche avec une résistance spécifique élevée et un module spécifique élevé, ce qui rend ces cannes à pêche de plus en plus légères. Par conséquent, les cannes à pêche d'aujourd'hui sont essentiellement appelées « cannes à pêche en fibre de carbone ».

Les cannes à pêche en matériaux composites renforcés de fibres de carbone sont beaucoup plus légères que les produits GFRP, elles consomment donc moins d'énergie lors du retrait de la canne et la distance de retrait est environ 20 % plus longue que cette dernière. La canne à pêche en CFRP est longue, bonne et rigide. La canne à pêche peut récupérer rapidement après avoir été pliée, ce qui la rend plus sensible lors de la livraison de l'appât. Le plastique renforcé de fibres de carbone peut également être utilisé pour fabriquer des rouleaux d'équipement de pêche, qui ne pèsent pas plus de 140 grammes, mais ont une résistance élevée à la fatigue et au frottement, ce qui leur confère une longue durée de vie.

Avantages des cannes à pêche composites en fibre de carbone : En raison de leur légèreté, de leur grande rigidité et d'autres caractéristiques, elles sont largement appréciées. Dans le processus de pêche, les avantages des cannes à pêche en fibre de carbone se reflètent dans les aspects suivants :

Étant donné que les cannes à pêche en fibre de carbone sont plus légères et plus fines, elles peuvent être facilement manœuvrées d'une seule main.

Parce qu'il est léger, il évite la fatigue de l'utilisateur

La fibre de carbone permet d'utiliser des cannes à pêche plus longues, et des cannes à pêche plus longues permettent de couvrir des zones de pêche plus larges.

Les cannes à pêche en fibre de carbone sont plus réactives aux poissons

Les cannes à pêche en fibre de carbone ont rendu les pêcheurs de plus en plus enthousiastes année après année, et ces cannes à pêche en fibre de carbone ont également fait de la pêche une activité récréative populaire plutôt qu'un sport de base, ce qui a sans aucun doute créé un nouveau marché pour le domaine de la fibre de carbone.

(3) Raquettes de tennis et raquettes de badminton.

La tendance du développement des raquettes de tennis va vers une taille plus grande et un poids plus léger. À l’heure actuelle, la plupart des raquettes de tennis haut et milieu de gamme dans le monde sont fabriquées à partir de matériaux composites en fibre de carbone. Les grandes raquettes de tennis doivent être fabriquées à partir de matériaux composites en fibre de carbone légers, résistants et de grande taille dans un moule spécifique. Il peut résister à une tension de cordage plus forte qu'un cadre de raquette en bois pour garantir qu'il ne se déforme pas lors de la frappe de la balle. Le matériau composite en fibre de carbone avec de bonnes propriétés d'absorption des vibrations et d'amortissement donne non seulement aux athlètes une sensation de confort, mais permet également à la balle de tennis d'acquérir une plus grande vitesse initiale.

La raquette de tennis en matériaux composites est légère mais solide, présente une rigidité élevée et une faible contrainte, ce qui peut réduire la déviation de la balle lorsqu'elle entre en contact avec la raquette. Dans le même temps, le CFRP a un bon amortissement, ce qui peut prolonger le temps de contact entre la corde en boyau et la balle, de sorte que la balle de tennis puisse avoir une plus grande accélération. Par exemple, le temps de contact d'une raquette en bois est de 4,33 millisecondes, celui d'une raquette en acier de 4,09 millisecondes et celui d'une raquette en CFRP de 4,66 millisecondes. Les vitesses initiales correspondantes de la balle sont respectivement de 1,38 kilomètres/heure, 149,6 kilomètres/heure et 157,4 kilomètres/heure. .

La raquette de badminton en matériau composite renforcé de fibres de carbone (CFRP) se caractérise par sa légèreté et sa grande rigidité, ce qui évite la casse du manche causée par une rigidité insuffisante des produits en bois. Il a également une fonction d'absorption des vibrations et une bonne résilience, ce qui facilite la frappe de la balle. La distance de retour de la balle est longue et la précision d'atterrissage de la balle est élevée.

4. Clubs de golf

En 1972, les États-Unis ont utilisé pour la première fois des matériaux composites en fibre de carbone pour fabriquer des clubs. En 1998, le nombre de clubs de golf en fibre de carbone dépassait largement celui des clubs en acier. Les clubs de golf sont composés de grips, de manches et de têtes de club. Les clubs de golf fabriqués à partir de matériaux composites en fibre de carbone peuvent réduire le poids d'environ 10 à 40 %. Selon la loi de conservation de l'élan, lorsque le poids total du club de golf est constant, un club très lourd et un club léger peuvent augmenter la vitesse de swing et permettre à la balle d'obtenir une vitesse initiale plus élevée. De plus, les matériaux composites en fibre de carbone ont des propriétés d'amortissement élevées, permettant à la balle d'être frappée plus longtemps et à la balle d'être frappée plus loin.

5. Kayak

En utilisant du Kevlar, une fibre aramide couramment utilisée en balistique, dans les kayaks, vous pouvez garantir qu'un bateau bien structuré résistera aux fissures et aux éclats. Lorsque des matériaux en graphène et en fibre de carbone sont utilisés dans les coques de canoës et de bateaux, ils peuvent non seulement augmenter la résistance opérationnelle de la coque et réduire le poids, mais également augmenter la distance de glissement.

6. Course

Dans les années 1980, lorsque l’équipe McLaren F1 utilisait des matériaux en fibre de carbone pour construire son châssis de course, ses voitures de course dominaient le peloton. En conséquence, l'approche de McLaren a été imitée par d'autres équipes, puis répercutée sur diverses supercars, voitures hautes performances et voitures civiles.

À l’heure actuelle, l’application de la fibre de carbone dans l’industrie automobile est principalement divisée en deux types : sèche et humide. Parmi eux, la fibre de carbone sèche contient moins de résine résiduelle lors de la fabrication, les pièces moulées sont plus solides et plus chères, elle est donc largement utilisée par les grandes marques d'ultra luxe.

La teneur en résine de la fibre de carbone humide est plus élevée, de sorte que la résistance des composants et le coût de fabrication seront beaucoup moins chers que la fibre de carbone sèche. Mais qu'il s'agisse de fibre de carbone sèche ou humide, elle offre de meilleures performances que les matériaux conventionnels.

Le corps de l'Ares AMR Pro utilise une peinture spéciale verte fluorescente et ajoute également un panneau décoratif en fibre de carbone où l'on peut voir la disposition des fils de carbone. Les lignes du véhicule sont plus élancées et les rétroviseurs latéraux ont également été modifiés pour être plus aérodynamiques. Conception mécanique, des ouvertures de ventilation en plusieurs parties sont utilisées derrière les ailes avant, ce qui permet de mieux guider l'air dans les passages de roues. Les jupes latérales qui touchent presque le sol sont reliées aux sourcils des roues avant et arrière. Le design de la porte en forme de mouette est également très charmant. , les roues avant de 20 pouces et les roues arrière de 21 pouces sont équipées de pneus larges plats et de systèmes de freinage en fibre de carbone céramique Rembo, ce qui rend le véhicule plus beau.

L'intérieur de la voiture copie également le design classique de la voiture de course de formule F1. Le cockpit intégré en fibre de carbone rend le véhicule plus rigide. Le toit, le cockpit et le châssis sont tous conçus en fibre de carbone. Le véhicule est plus rigide et le ressenti de la route est plus réaliste. , plus positif. La grande surface en daim fait écho au matériau en fibre de carbone exposé. La console centrale est équipée d'un volant rectangulaire arrondi. Il y a un écran d'affichage LCD au milieu du volant pour afficher des informations de base sur le véhicule. Les deux écrans LCD flottants sont inclinés selon des angles différents. Côté conduite, le siège de course intégré en fibre de carbone est léger et peut également offrir un meilleur emballage et un meilleur soutien au conducteur.

03

Recyclage de la fibre de carbone

Les matériaux composites en fibre de carbone sont de plus en plus populaires et leur utilisation augmente d'année en année. Le recyclage de ces matériaux reste difficile mais toujours nécessaire au niveau européen pour des raisons environnementales, économiques et législatives. À IMT Mines Albi, les chercheurs étudient la pyrolyse à la vapeur pour récupérer les fibres de carbone.

Le procédé développé par les chercheurs d'Albi s'appelle « pyrolyse à la vapeur » et combine ces deux procédés. Actuellement, évoluer vers une réutilisation à grande échelle de la fibre de carbone est l’une des solutions les plus prometteuses au monde. Hormis Albi, il n’existe que quelques autres centres de recherche dans le monde travaillant sur ce sujet (principalement au Japon, en Chine et en Corée du Sud).

La manière la plus simple de réutiliser la fibre de carbone consiste à étaler les faisceaux de fibres interconnectés sur une surface plane et à les réutiliser sous cette forme comme feutre de carbone. Ils serviront donc à fabriquer des composites pour des pièces décoratives plutôt que des pièces structurelles. La taille des fibres recyclées peut également être encore réduite pour servir de renfort aux particules de polymère.

Le tranchage et le remodelage sont également une méthode de recyclage courante pour les résines thermoplastiques. Lorsque le degré d’orientation des fibres est similaire, la teneur volumique en fibre de carbone est le principal facteur affectant les propriétés mécaniques du matériau composite recyclé. La valeur du module du matériau composite renforcé de fibres de carbone recyclées dépend principalement de la longueur de la fibre de carbone, et la valeur de résistance dépend de la fibre et de la résine. qualité de l'imprégnation. Grâce à l'optimisation industrielle, le procédé de découpage et de remodelage peut réaliser un recyclage répété et à faible coût de matériaux composites en fibre de carbone, ce qui peut répondre à l'application de matériaux composites en fibre de carbone dans les domaines civils généraux. Récemment, en plus du domaine aérospatial, des matériaux composites thermoplastiques renforcés de fibres de carbone continues ont également été progressivement utilisés dans les dispositifs médicaux chirurgicaux orthopédiques, les appareils électroniques, les industries haut de gamme et d'autres domaines.

Article tiré d'Internet.