La fibre de carbone expliquée :propriétés, utilisations et applications d'impression 3D

La fibre de carbone, également appelée fibre de graphite ou graphite de carbone, est devenue un favori dans plusieurs secteurs, et pour cause. Mais nous ne dévoilerons pas tout dans l'introduction :lisez la suite pour découvrir ce qu'est ce matériau, ses différents types et à quoi il sert.

Qu'est-ce que la fibre de carbone ?

La fibre de carbone est un tapis en tissu composé de fibres tissées et est classée à la fois comme plastique composite et renforcé de fibres. Il s’agit de 90 % de polyacrylonitrile (le précurseur du carbone) et de 10 % d’autres précurseurs, comme la poix ou la cellulose. Ce matériau est fabriqué par carbonisation, oxydation ou graphitisation. Il est d’abord découpé dans la forme requise, imprégné de résine, puis traité selon l’une des méthodes mentionnées ci-dessus. Une fois durci, le résultat est un matériau léger et incroyablement résistant avec un rapport résistance/poids impressionnant. 

La haute tolérance à la chaleur de ce type de fibre a inspiré Sir Joseph Wilson Swan à l’utiliser pour une ampoule à incandescence en 1860. À l’époque, les filaments de fibre de carbone n’étaient pas aussi résistants qu’aujourd’hui, alors lorsque le tungstène est entré en scène, il a pratiquement pris le dessus dans le département de fabrication d’ampoules. Plus de 50 ans se sont écoulés sans que la fibre de carbone soit réellement utilisée, mais une version plus résistante a été introduite dans les années 1960 et Rolls-Royce l'a adoptée pour ses moteurs à réaction, malgré sa fragilité.

La fibre de carbone utilisée aujourd'hui dans la fabrication a une résistance à la traction d'environ 4 000 MPa et un module élevé de 400 GPa, ce qui la rend utile pour toute une série de choses (pas seulement pour les ampoules). Il est résistant au fluage, à la fatigue, aux produits chimiques et à la corrosion, ainsi qu’ininflammable et non toxique. Avec le bon traitement, il peut être électriquement conducteur.

Ce matériau est notoirement cher. Il est à la fois plus léger et plus résistant que l’acier, mais son coût élevé dissuade les fabricants de l’utiliser à moins que cela ne soit absolument nécessaire (un peu comme ce parfum coûteux que vous économisez pour des occasions spéciales). Mais maintenant, le prix de la fibre de carbone a baissé et son utilisation a augmenté ! L’époque où la fibre de carbone attendait des tâches de haut niveau est révolue; il est désormais transformé en outils et fixations, ressorts et fils, et peut même être utilisé pour renforcer les pneus.

Quel est l'autre terme désignant la fibre de carbone ?

La fibre de carbone peut également être appelée fibre de graphite ou graphite de carbone. Il peut être désigné sous les termes génériques de plastique composite ou de plastique renforcé de fibres. Le terme composite est utilisé pour décrire un matériau possédant une matrice et un renfort. Dans le cas de la fibre de carbone, la fibre est le renfort et la résine est la matrice. Le plastique renforcé de fibres est utilisé pour décrire les composites de fibre de verre et d'aramide ainsi que la fibre de carbone. 

Quand la fibre de carbone a-t-elle été inventée ?

Les fibres de carbone ont été créées pour la première fois en 1860 par Sir Joseph Wilson Swan pour être utilisées dans une ampoule à incandescence, car ces fibres avaient une très haute tolérance à la chaleur. Cependant, les filaments de fibre de carbone n’étaient pas très résistants à l’époque. Ainsi, lorsque le tungstène a commencé à être utilisé dans les ampoules électriques, la fibre de carbone n’a servi à rien pendant plus de 50 ans. Puis, dans les années 1960, des fibres de carbone plus résistantes ont pu être produites pour être utilisées dans les moteurs à réaction de Rolls-Royce. Cependant, en raison des propriétés fragiles de la fibre de carbone, son utilisation a longtemps été limitée. Depuis, la production de fibre de carbone est devenue beaucoup plus efficace. La fibre de carbone a aujourd'hui une résistance à la traction de l'ordre de 4 000 MPa et un module de 400 GPa, ce qui a ouvert de nombreuses autres applications pour son utilisation.

De quoi est faite la fibre de carbone ?

L'oxydation, la carbonisation et la graphitisation du polyacrylonitrile, précurseur du carbone, constituent 90 % du matériau en fibre de carbone. Les 10 % restants des précurseurs utilisés proviennent soit de la poix, soit de la cellulose. 

Quelles sont les propriétés de la fibre de carbone ? 

Les propriétés non mécaniques de la fibre de carbone sont :

1. Électriquement conducteur
2. Résistant à la corrosion
3. Ininflammable 
4. Non toxique 

Quelles sont les propriétés mécaniques de la fibre de carbone ?

Les propriétés mécaniques de la fibre de carbone incluent :

1. Léger
2. Haute résistance
3. Résistant au fluage
4. Résistant à la fatigue
5. Haut module 
6. Fragilité

Le nombre de fois où une fibre passe par-dessus et par-dessous d’autres fibres est appelé frisure, et plus la frisure est élevée, plus sa stabilité est élevée. Mais la fibre de carbone à frisure élevée signifie que le matériau ne sera pas très flexible (c'est ce qu'on appelle sa drapabilité) pour former des formes ou une géométrie complexes.

Quelle est la résistance de la fibre de carbone ?

La fibre de carbone est classée en :qualité de module standard, intermédiaire, élevée et ultra-élevée et sa résistance à la traction varie de 3,55 GPa.

La fibre de carbone est-elle lourde ?

Non, la fibre de carbone n'est pas lourde. La fibre de carbone est très légère, ce qui est l'une de ses deux propriétés les plus recherchées, l'autre étant sa résistance. Le poids de la fibre de carbone dépendra du nombre de fibres par cm2 et de la résine utilisée pour la lier. A titre d'exemple, un tissage sergé uni en fibre de carbone sans résine pèsera 210 g/m2, pour une épaisseur de seulement 0,28 mm. A titre de comparaison, l'acier a un poids de 4 kg/m2 pour une épaisseur de 0,5 mm.

Quelles sont les propriétés chimiques de la fibre de carbone ?

Les propriétés chimiques de la fibre de carbone sont : 

1. Résistant aux produits chimiques
2. Non toxique 
3. Ininflammable 

Quelles sont les différentes applications avancées de la fibre de carbone ?

En raison de son prix élevé, la fibre de carbone n'est actuellement utilisée que dans des applications hautes performances, dont nous énumérons quelques-unes ci-dessous.

1. Industrie aérospatiale

Son faible poids rend la fibre de carbone adaptée au fuselage, à l'empennage, aux cônes avant et aux pales de rotor des avions. Lorsque ces pièces sont fabriquées à partir de ce matériau, le poids de l’avion peut être réduit jusqu’à 20 %, ce qui permet d’économiser des millions de dollars en carburant. 

2. Articles de sport

Il est utilisé pour fabriquer des raquettes de tennis, des skis, des snowboards, des vélos et des clubs de golf plus légers, plus solides et plus rapides. Préparez-vous simplement à payer beaucoup plus pour des équipements sportifs en fibre de carbone.

3. Dispositifs médicaux

Les appareils et implants à rayons X sont fabriqués à partir de fibre de carbone principalement parce qu’elle est radiotransparente (les rayons X peuvent la traverser facilement). Il est également résistant à l’usure et présente une rigidité similaire à celle des os humains. Contrairement au métal utilisé dans certains implants, la fibre de carbone est fragile et peut se briser.

4. Système de stockage d'énergie

Des projets de systèmes de stockage par batteries en fibre de carbone sont en préparation, ce qui pourrait réduire considérablement le poids des voitures électriques.

5. Génie civil

La fibre de carbone est de plus en plus populaire dans les ponts et les structures en béton où la résistance est plus importante que le poids. Parce qu'il peut être jusqu'à dix fois plus résistant que l'acier, il est préférable, mais comme nous l'avons établi, son utilisation est beaucoup plus coûteuse.

6. Technologie marine

Alors que le prix de la fibre de carbone est en baisse, elle commence à remplacer la fibre de verre dans les yachts et les petits bateaux. 

7. Technologie militaire et de défense

Des drones, des hélicoptères, des jets et des avions de transport peuvent tous être fabriqués à partir de ce matériau. La conception des casques est devenue beaucoup plus complexe au fil des années, ce qui les rend également plus lourds. La fibre de carbone est là pour sauver la situation (mais il reste le problème de la difficulté à détecter les dommages).

Un inconvénient, cependant, est ce qu’on appelle les dommages d’impact à peine visibles. Fondamentalement, il est difficile de repérer les dommages sur ce matériau à l’œil nu, donc la recherche de défauts nécessite une formation et des tests approfondis. Ce facteur affecte la plupart des industries ci-dessus, mais particulièrement l'aérospatiale, l'énergie, la marine et l'armée.

Comment la fibre de carbone peut-elle être utilisée avec l'impression 3D ?

La fibre de carbone est compatible avec l'impression 3D. Il peut être utilisé soit comme couche de fibres continue, soit imprimé sous forme de brins courts dans le filament d'une imprimante FDM (Fused Deposition Modeling). L'imprimante aura besoin de deux têtes d'impression si vous souhaitez imprimer avec une fibre continue :une pour le filament plastique et une pour la fibre de carbone. Si vous choisissez d’incorporer des brins coupés dans le filament, vous pouvez améliorer la résistance et la rigidité des pièces imprimées sans vous ruiner. L’utilisation de ce matériau dans l’impression 3D signifie que vous pouvez fabriquer des pièces qui peuvent être utilisées à des fins structurelles, car elles sont bien plus résistantes que le PLA et l’ABS typiques utilisés dans l’impression 3D. Avec la fibre de carbone, la résistance des pièces peut être comparée à celle de matériaux comme l'aluminium.

L’industrie aérospatiale utilise dans une certaine mesure des pièces en fibre de carbone imprimées en 3D. En raison des réglementations de sécurité, toute nouvelle technologie ou tout nouveau matériau doit subir des tests et des qualifications approfondis avant d'être utilisé dans l'aérospatiale, mais pour l'instant, il n'est pas rare de trouver des pièces pour supports et des outils spécialisés fabriqués à partir de fibre de carbone imprimée en 3D. Les entreprises n'ont pas non plus à faire face à des délais de livraison énormes.

Questions fréquemment posées sur la fibre de carbone

Comment l'impression 3D dans l'industrie aérospatiale utilise-t-elle la fibre de carbone pour créer différentes pièces ?

Actuellement, l’impression 3D avec de la fibre de carbone dans l’industrie aérospatiale est limitée. L’utilisation de nouveaux matériaux et procédés nécessite une qualification approfondie avant leur utilisation dans l’aérospatiale. Cependant, de nombreuses entreprises aérospatiales utilisent des pièces en fibre de carbone imprimées en 3D pour les supports et les outils spécialisés. L’impression 3D est utilisée pour créer des pièces de production limitées qui autrement auraient des délais de livraison longs. De nombreuses tâches de réparation et de maintenance nécessitent un outillage spécialisé qui entraîne des coûts élevés et des délais de livraison longs. Grâce à l’impression 3D de la fibre de carbone, les délais et les coûts sont désormais réduits.

Pour en savoir plus, consultez notre guide complet sur l'impression 3D dans l'aérospatiale.

Quel est l'avantage de la fibre de carbone par rapport aux autres matériaux imprimés en 3D ?

L’avantage des pièces imprimées en fibre de carbone est leur résistance accrue par rapport aux autres matériaux imprimés en 3D. La plupart des pièces imprimées en 3D sont fabriquées en PLA ou en ABS, qui sont relativement fragiles, ce qui signifie que les pièces ne peuvent pas être utilisées à des fins structurelles. Cependant, avec les matériaux en fibre de carbone imprimés en 3D, la résistance est comparable à celle de l’aluminium. Cela ouvre de nombreuses applications pour l'utilisation de pièces imprimées en 3D.

La fibre de carbone est-elle plus résistante que l'acier ?

Oui, la fibre de carbone est plus résistante que l’acier si l’on compare leurs rapports résistance/poids respectifs. Alors que l'acier et la fibre de carbone ont un module élastique de 200 GPa, l'acier est cinq fois plus lourd que la fibre de carbone. Ce rapport résistance/poids élevé explique pourquoi la fibre de carbone peut être préférée dans de nombreuses applications.

La fibre de carbone est-elle plus résistante que l'aluminium ?

Oui, la fibre de carbone est beaucoup plus résistante que l'aluminium. L'aluminium peut atteindre jusqu'à 570 MPa tandis que la fibre de carbone à module ultra élevé peut atteindre une résistance à la traction supérieure à 5,5 GPa.

Quelle est la différence entre la fibre de carbone et le filament 3D en fibre de carbone ?

La fibre de carbone traditionnelle et la fibre de carbone imprimée en 3D ajoutent de la résistance et sont légères, mais la méthode d'application est très différente. Traditionnellement, la fibre de carbone est un tapis tissé de fibres sur lequel une résine est appliquée puis durcie. La fibre de carbone traditionnelle est généralement transformée en panneaux plus grands et en sections tubulaires, mais peut être transformée en supports. La fibre de carbone imprimée en 3D est soit coupée en microbrins et ajoutée à un filament à partir duquel elle est imprimée en une pièce généralement à géométrie complexe, soit imprimée sous la forme d'un brin continu singulier en couches discrètes d'une pièce imprimée en 3D.

Kat de Naoum

Kat de Naoum est une écrivaine, auteure, éditrice et spécialiste du contenu britannique avec plus de 20 ans d'expérience en écriture. Kat a de l'expérience en matière d'écriture pour diverses organisations manufacturières et techniques et aime le monde de l'ingénierie. Parallèlement à l'écriture, Kat a travaillé comme parajuriste pendant près de 10 ans, dont sept dans le domaine du financement maritime. Elle a écrit pour de nombreuses publications, tant imprimées qu'en ligne. Kat est titulaire d'un baccalauréat en littérature anglaise et en philosophie, ainsi que d'une maîtrise en écriture créative de l'Université de Kingston.

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