Les tissages en fibre de carbone expliqués :types, applications et avantages

Si vous vous êtes déjà demandé pourquoi un morceau de fibre de carbone peut être différent d’un autre morceau de fibre de carbone, vous n’êtes pas seul. La fibre de carbone se décline en de nombreux tissages différents et chacun remplit un objectif différent, et ce n'est pas seulement cosmétique.

Les fibres de carbone sont fabriquées à partir de précurseurs tels que le polyacrylonitrile (PAN) et la rayonne. Les fibres précurseurs sont traitées chimiquement, chauffées et étirées, puis carbonisées pour créer des fibres à haute résistance. Ces fibres, ou filaments, sont ensuite regroupées en câbles identifiés par le nombre de filaments de carbone qu'ils contiennent. Les cotes de remorquage courantes sont 3k, 6k, 12k et 15k. Le «k» fait référence à mille, donc un câble de 3k est composé de 3 000 filaments de carbone. Un câble standard de 3K mesure généralement 0,125" de large, ce qui représente beaucoup de fibres emballées dans un petit espace. Un câble de 6K contient 6 000 filaments de carbone, un 12K en contient 12 000, etc. Ce grand nombre de fibres à haute résistance regroupées ensemble est ce qui fait de la fibre de carbone un matériau si résistant.

Fibre de carbone tissée

La fibre de carbone se présente généralement sous la forme d'un tissu tissé, ce qui facilite son travail et peut conférer une résistance structurelle supplémentaire en fonction de l'application. Pour cette raison, de nombreux tissages différents sont utilisés pour le tissu en fibre de carbone. Les plus courants sont le satin uni, le sergé et le harnais, et nous entrerons plus en détail pour chacun.

Tissage toile

Une feuille de fibre de carbone à armure toile semble symétrique avec un petit aspect de style damier. Dans ce tissage, les câbles sont tissés selon un motif dessus/dessous. Le court espace entre les entrelacs confère au tissage uni un haut niveau de stabilité. La stabilité des tissus est la capacité d'un tissu à conserver son angle de tissage et l'orientation de ses fibres.  En raison de ce haut niveau de stabilité, l’uni n’est pas bien adapté aux superpositions aux contours complexes, il ne sera pas aussi souple que certains autres tissages. Généralement, les tissus à armure toile conviennent aux draps plats, aux tubes et aux courbes 2D.

Un inconvénient de ce modèle de tissage est le frisage dur (l'angle que fait la fibre lorsqu'elle est tissée, voir ci-dessous) dans les câbles en raison de la courte distance entre les entrelacs. Le sertissage brutal peut créer des concentrations de contraintes qui peuvent affaiblir la pièce au fil du temps.

Tissage sergé

Le sergé sert de pont entre un tissage uni et les tissages satin dont nous parlerons ensuite. Le sergé a une bonne flexibilité et peut former des contours complexes, et il maintient mieux la stabilité de son tissu qu'un tissage satiné avec harnais, mais pas aussi bon qu'un tissage simple. Si vous suivez un fil de câble dans une armure sergée, il passe sur un nombre défini de câbles, puis sous le même nombre de câbles. Le motif dessus/dessous crée un aspect de pointe de flèche diagonale, connu sous le nom de « ligne sergé ». La distance plus longue entre les entrelacs de remorquage signifie moins de frisures par rapport à une armure toile et moins de concentrations de contraintes potentielles.

Sergé 2×2

Sergé 4×4

Le sergé 2×2 est probablement le tissage en fibre de carbone le plus reconnaissable de l’industrie. Il est utilisé dans de nombreuses applications cosmétiques et décoratives, mais possède également une grande fonctionnalité, il présente à la fois une formabilité modérée et une stabilité modérée. Comme le nom 2×2 l’indique, chaque trait passera sur 2 traits puis sous deux traits. De même, le 4×4 Twill passera sur 4 traits puis sous 4 traits. Il a un peu plus de formabilité que le sergé 2×2, puisque le tissage n'est pas aussi serré, mais il aura également moins de stabilité.

Tissages de satin de harnais

Le tissage satin a été conçu il y a des milliers d'années pour fabriquer des tissus en soie offrant d'excellentes qualités de drapé, tout en étant lisses et sans couture. Pour les composites, cette drapabilité signifie qu'ils peuvent facilement se former et s'enrouler autour de contours complexes. Étant donné que le tissu est très malléable, il a, comme on peut s'y attendre, une faible stabilité. Les tissages de satin de harnais courants sont le satin de harnais 4 (4HS), le satin de harnais 5 (5HS) et le satin de harnais 8 (8HS). À mesure que vous augmentez le nombre de tissage satiné, la formabilité augmentera et la stabilité du tissu diminuera.

4HS

5HS

8HS

Le nombre dans les noms du harnais Satin indique le nombre total de traits passés par-dessus puis par-dessous. Pour 4HS, il passera sur 3 traits puis sous 1. Pour 5HS, il passera sur 4 puis sous 1, et 8HS passera sur 7 et sous 1.

Remorquage étendu ou remorquage standard

Le matériau de remorquage répandu peut constituer un bon compromis entre l’utilisation d’un matériau unidirectionnel et d’un matériau tissé standard. À mesure qu'un câble de fibre se tisse de haut en bas pour créer un tissu, la résistance est réduite en raison de la frisure du câble. À mesure que vous augmentez le nombre de filaments dans un câble standard, de 3k à 6k par exemple, le câble devient plus gros (plus épais) et l'angle de sertissage devient plus dur. Une façon d'éviter cela est d'étaler les filaments en un câble plus large, c'est ce qu'on appelle un câble étalé et cela présente quelques avantages.

Le câble étalé offre un angle de frisage plus petit qu'un tissage de câble standard et peut diminuer les défauts de croisement en augmentant la douceur. Un angle de sertissage plus faible se traduira par une résistance plus élevée. Le matériau de remorquage étalé est également plus facile à travailler qu'un matériau unidirectionnel et offre toujours une assez bonne prévention de l'arrachement des fibres.

Tissage toile à tartiner

Tissage sergé à remorquage

Unidirectionnel

Comme son nom l’indique, uni signifiant un, toutes les fibres sont orientées dans la même direction. Cela confère au tissu unidirectionnel (UD) des avantages de haute résistance. Le tissu UD n’est pas tissé, il n’y a pas de fibres entrelacées avec frisage qui pourraient affaiblir la structure. Il existe plutôt des fibres continues qui augmentent la résistance et la rigidité. Un autre avantage est la possibilité d'adapter la configuration avec un meilleur contrôle des caractéristiques de performance. Un cadre de vélo est un bon exemple de la façon dont le tissu UD peut être utilisé pour améliorer les performances. Le cadre doit être rigide et rigide dans la zone du boîtier de pédalier pour transférer la puissance du cycliste aux roues, mais le cadre doit également avoir une certaine souplesse et flexibilité pour ne pas agresser 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 de l’UD est sa maniabilité. L'UD a tendance à se désagréger assez facilement pendant le processus de superposition car il n'a pas de fibres entrelacées pour le maintenir ensemble. Si les fibres sont mal placées, il peut être presque impossible de toutes les réorienter correctement. L'usinage de pièces fabriquées avec du tissu UD peut également causer des problèmes. S'il y a des fibres tirées là où les éléments ont été coupés, ces fibres lâches peuvent remonter tout le long de la pièce. En règle générale, si un matériau UD est choisi pour une superposition, une couche de matériau tissé est utilisée pour la première et la dernière couche afin de faciliter l'usinage et la durabilité de la pièce. C’est ce qui est fait pour les cadres de drones amateurs jusqu’aux pièces de fusée de production. Si vous avez apprécié cet article ou si vous avez des questions supplémentaires, veuillez laisser un commentaire ci-dessous.   Sources et sites de référence :https://store.acpsales.com/products/3495/woven-fabric-style-guide