Tissages Fibre de Carbone Expliqués : Types, Applications et Avantages

Si vous vous êtes déjà demandé pourquoi un morceau de fibre de carbone pourrait sembler différent d'un autre, vous n'êtes pas seul. La fibre de carbone vient en de nombreux tissages différents et chacun sert un but différent, et ce n'est pas juste cosmétique.

Les fibres de carbone sont faites à partir de précurseurs comme le polyacrylonitrile (PAN) et la rayonne. Les fibres précurseurs sont chimiquement traitées, chauffées et étirées, puis carbonisées, pour créer des fibres haute résistance. Ces fibres, ou filaments, sont ensuite regroupées en mèches (tows) identifiées par le nombre de filaments de carbone qu'elles contiennent. Les cotes de mèche communes sont 3k, 6k, 12k et 15k. Le « k » fait référence à un millier, donc une mèche 3k est faite de 3 000 filaments de carbone. Une mèche 3k standard fait typiquement 3,175 mm de large, donc c'est beaucoup de fibres packées dans un petit espace. Une mèche 6k a 6 000 filaments de carbone, une 12k en a 12 000, et ainsi de suite. Ce grand nombre de fibres haute résistance regroupées ensemble est ce qui rend la fibre de carbone si résistante.

Fibre de Carbone Tissée

La fibre de carbone vient typiquement sous forme de tissu tissé, ce qui la rend plus facile à travailler et peut donner une résistance structurelle additionnelle selon l'application. À cause de cela, il y a de nombreux tissages différents utilisés pour le tissu en fibre de carbone. Les plus courants sont Uni, Twill et Satin Harness, et nous allons entrer dans plus de détails pour chacun.

Tissage Uni (Plain Weave)

Une feuille de carbone tissage uni a une apparence symétrique avec un petit motif damier. Dans ce tissage, les mèches sont tissées en motif sur/sous. L'espace court entre entrelacements donne au tissage uni un haut niveau de stabilité. La stabilité du tissu est la capacité pour un tissu à maintenir son angle de tissage et l'orientation des fibres. En raison de ce haut niveau de stabilité, le uni n'est pas bien adapté pour des stratifications aux contours complexes, il ne sera pas aussi malléable que certains autres tissages. Généralement, les tissus uni sont adaptés pour feuilles planes, tubes et courbes 2D.

Un inconvénient de ce motif de tissage est le pincement (crimp) sévère (l'angle que la fibre fait quand tissée, voir ci-dessous) dans les mèches dû à la courte distance entre entrelacements. Le pincement sévère peut créer des concentrations de contraintes qui peuvent affaiblir la pièce avec le temps.

Tissage Twill

Le Twill sert de pont entre un tissage uni et les tissages satin qu'on discutera ensuite. Le Twill a une bonne malléabilité et peut former des contours complexes, et il est meilleur pour maintenir sa stabilité de tissu qu'un tissage satin harness, mais pas aussi bon que le tissage uni. Si vous suivez un brin de mèche dans un tissage twill, il passe sur un nombre défini de mèches puis sous le même nombre de mèches. Le motif sur/sous crée une apparence de flèche diagonale, connue comme une « ligne twill ». La distance plus longue entre entrelacements de mèches signifie moins de pincements comparé à un tissage uni et moins de concentrations de contraintes potentielles.

2×2 Twill

4×4 Twill

Le 2×2 Twill est probablement le tissage carbone le plus reconnaissable dans l'industrie. Il est utilisé dans de nombreuses applications cosmétiques et décoratives, mais a aussi une grande fonctionnalité ; il a à la fois une malléabilité modérée et une stabilité modérée. Comme le nom 2×2 l'implique, chaque mèche passera sur 2 mèches puis sous 2 mèches. Similairement, le 4×4 Twill passera sur 4 mèches puis sous 4 mèches. Il a légèrement plus de malléabilité que le 2×2 Twill, puisque le tissage n'est pas aussi serré, mais aura aussi moins de stabilité.

Tissages Satin Harness

Le tissage satin a été conçu il y a des milliers d'années pour faire des tissus en soie avec d'excellentes qualités de drapé, tout en paraissant lisse et sans couture. Pour les composites, ce drapé signifie qu'il peut facilement former et envelopper des contours complexes. Parce que le tissu est si malléable, il a, prévisiblement, une faible stabilité. Les tissages satin harness courants sont 4 harness satin (4HS), 5 harness satin (5HS) et 8 harness satin (8HS). En augmentant le nombre du tissage satin, la malléabilité augmente et la stabilité du tissu diminue.

4HS

5HS

8HS

Le nombre dans les noms Harness Satin indique le nombre total de mèches passées sur puis sous. Pour 4HS, il passera sur 3 mèches puis sous 1. Pour 5HS, il passera sur 4 puis sous 1, et 8HS passera sur 7 et sous 1.

Spread Tow vs Mèche Standard

Le matériau spread tow peut être un bon compromis entre l'utilisation de matériau unidirectionnel et de matériau tissé standard. Comme une mèche de fibre tisse haut et bas pour créer un tissu, la résistance est réduite à cause du pincement dans la mèche. En augmentant le nombre de filaments dans une mèche standard, de 3k à 6k par exemple, la mèche devient plus grosse (plus épaisse) et l'angle de pincement devient plus sévère. Une façon d'éviter ceci est d'étaler les filaments en une mèche plus large, c'est ce qu'on appelle un spread tow et il y a quelques bénéfices à faire ceci.

Le spread tow offre un angle de pincement plus petit qu'un tissage à mèche standard et peut réduire les défauts de croisement en augmentant la lissage. Un angle de pincement plus bas résultera en une résistance plus haute. Le matériau spread tow est aussi plus facile à travailler que le matériau unidirectionnel et a encore une prévention raisonnablement bonne du soulèvement de fibres.

Spread Tow Tissage Uni

Spread Tow Tissage Twill

Unidirectionnel

Comme le nom l'implique, uni, signifiant un, toutes les fibres sont orientées dans la même direction. Cela donne au tissu unidirectionnel (UD) des bénéfices de haute résistance. Le tissu UD n'est pas tissé, il n'y a pas de fibres entrelacées avec pincement qui peuvent affaiblir la structure. Plutôt, il y a des fibres continues qui augmentent la résistance et la rigidité. Un autre bénéfice est la capacité d'adapter la stratification avec un meilleur contrôle pour les caractéristiques de performance. Un cadre de vélo est un bon exemple de comment le tissu UD peut être utilisé pour régler la performance. Le cadre doit être rigide dans la zone du boîtier de pédalier pour transférer la puissance du cycliste aux roues, mais le cadre a aussi besoin d'avoir une certaine souplesse et flex pour ne pas maltraiter le cycliste. Avec le matériau UD, vous pouvez choisir la direction précise des fibres pour obtenir la résistance dont vous avez besoin.

Un inconvénient majeur avec l'UD est sa maniabilité. L'UD a tendance à s'effondrer assez facilement pendant le processus de stratification puisqu'il n'a pas de fibres entrelacées pour le tenir ensemble. Si les fibres sont placées incorrectement, il peut être presque impossible de les réorienter correctement toutes à nouveau. L'usinage de pièces faites avec du tissu UD peut aussi causer des problèmes. S'il y a un soulèvement de fibres là où les caractéristiques ont été coupées, ces fibres libres peuvent se soulever tout le long de la pièce. Typiquement, si le matériau UD est choisi pour une stratification, une couche de matériau tissé est utilisée pour la première et dernière couche pour assister l'usinabilité et la durabilité de la pièce. C'est ce qui est fait pour les cadres de drones amateurs jusqu'aux pièces de fusées de production. Si vous avez apprécié ce post ou avez des questions additionnelles, laissez un commentaire ci-dessous. Sources et Sites de Référence : https://store.acpsales.com/products/3495/woven-fabric-style-guide