Polymères renforcés de fibres de carbone

Polymères renforcés de fibres de carbone ( anglais américain ), polymères renforcés de fibres de carbone ( anglais du Commonwealth ), plastiques renforcés de fibres de carbone , thermoplastiques renforcés de fibres de carbone ( CFRP , CRP , CFRTP ), également connu sous le nom de fibre de carbone , composite de carbone , ou simplement le carbone , sont des plastiques renforcés de fibres extrêmement solides et légers qui contiennent des fibres de carbone . Les CFRP peuvent être coûteux à produire, mais sont couramment utilisés partout où un Rapport résistance/poids élevé etrigidité (rigidité) sont requises, telles que l’aérospatiale, les superstructures de navires, l’automobile, le génie civil, les équipements sportifs et un nombre croissant d’applications grand public et techniques. ^[1]

Queue d’un hélicoptère radiocommandé , en CFRP

Le polymère de liaison est souvent une résine thermodurcissable telle que l’ époxy , mais d’autres polymères thermodurcissables ou thermoplastiques , tels que le polyester , l’ester vinylique ou le nylon, sont parfois utilisés. Les propriétés du produit CFRP final peuvent être affectées par le type d’additifs introduits dans la matrice de liaison (résine). L’additif le plus courant est la silice , mais d’autres additifs tels que le caoutchouc et les nanotubes de carbone peuvent être utilisés.

La fibre de carbone est parfois appelée polymère renforcé de graphite ou polymère renforcé de fibres de graphite ( le GFRP est moins courant, car il se heurte au polymère renforcé de fibre de verre ).

Propriétés

Les CFRP sont des matériaux composites . Dans ce cas, le composite est constitué de deux parties : une matrice et un renfort. En CFRP, le renfort est en fibre de carbone, ce qui lui confère sa résistance. La matrice est généralement une résine polymère, telle que l’époxy, pour lier les renforts entre eux. ^[2] Étant donné que le CFRP se compose de deux éléments distincts, les propriétés du matériau dépendent de ces deux éléments.

Le renforcement confère au CFRP sa résistance et sa rigidité, mesurées respectivement par la contrainte et le module d’élasticité . Contrairement aux matériaux isotropes comme l’acier et l’aluminium, le CFRP a des propriétés de résistance directionnelle. Les propriétés du CFRP dépendent des dispositions de la fibre de carbone et de la proportion des fibres de carbone par rapport au polymère. ^[3] Les deux équations différentes régissant le module d’élasticité net des matériaux composites utilisant les propriétés des fibres de carbone et de la matrice polymère peuvent également être appliquées aux plastiques renforcés de fibres de carbone. ^[4] L’équation suivante,

E c = V m E m + V F E F {displaystyle E_{c}=V_{m}E_{m}+V_{f}E_{f}} $E_{c}=V_{m}E_{m}+V_{f}E_{f}$ $E_{c}=V_{m}E_{m}+V_{f}E_{f}$

est valable pour les matériaux composites dont les fibres sont orientées dans la direction de la charge appliquée. E c {displaystyle E_{c}} $E_{c}$ $E_{c}$ est le module composite total, V m {displaystyle V_{m}} $V_{m}$ $V_{m}$ et V F {displaystyle V_{f}} $V_{f}$ $V_{f}$ sont les fractions volumiques de la matrice et de la fibre respectivement dans le composite, et E m {displaystyle E_{m}} $E_{m}$ $E_{m}$ et E F {displaystyle E_{f}} $E_{f}$ $E_{f}$ sont respectivement les modules élastiques de la matrice et des fibres. ^[4] L’autre cas extrême du module d’élasticité du composite avec les fibres orientées transversalement à la charge appliquée peut être trouvé à l’aide de l’équation suivante : ^[4]

E c = ( V m E m + V f E f ) − 1 {displaystyle E_{c}=left({frac {V_{m}}{E_{m}}}+{frac {V_{f}}{E_{f}}}right)^{- 1}} ${displaystyle E_{c}=left({frac {V_{m}}{E_{m}}}+{frac {V_{f}}{E_{f}}}right)^{-1}}$ ${displaystyle E_{c}=left({frac {V_{m}}{E_{m}}}+{frac {V_{f}}{E_{f}}}right)^{-1}}$

La ténacité à la rupture des plastiques renforcés de fibres de carbone est régie par les mécanismes suivants : 1) décollement entre la fibre de carbone et la matrice polymère, 2) arrachement des fibres et 3) délaminage entre les feuilles de CFRP. ^[5] Les CFRP typiques à base d’époxy ne présentent pratiquement aucune plasticité, avec moins de 0,5 % de déformation jusqu’à la rupture. Bien que les CFRP avec époxy aient une résistance et un module élastique élevés, la mécanique de la rupture fragile présente des défis uniques pour les ingénieurs dans la détection des défaillances, car les défaillances se produisent de manière catastrophique. ^[5] En tant que tels, les efforts récents pour renforcer les CFRP incluent la modification du matériau époxy existant et la recherche d’une matrice polymère alternative. Un de ces matériaux très prometteur est le PEEK, qui présente une ténacité d’un ordre de grandeur supérieur avec un module d’élasticité et une Résistance à la traction similaires. ^[5] Cependant, le PEEK est beaucoup plus difficile à traiter et plus coûteux. ^[5]

Malgré son Rapport résistance/poids initial élevé, une limite de conception du CFRP est son absence de limite de fatigue définissable . Cela signifie, théoriquement, qu’une défaillance du cycle de contrainte ne peut pas être exclue. Bien que l’acier et de nombreux autres métaux et alliages structuraux aient des limites de fatigue ou d’endurance estimables, les modes de défaillance complexes des composites signifient que les propriétés de défaillance par fatigue du CFRP sont difficiles à prévoir et à concevoir. Par conséquent, lors de l’utilisation de CFRP pour des applications critiques de chargement cyclique, les ingénieurs peuvent avoir besoin de concevoir des marges de sécurité de résistance considérables pour fournir une fiabilité de composant appropriée tout au long de sa durée de vie.

Les effets environnementaux tels que la température et l’humidité peuvent avoir des effets profonds sur les composites à base de polymères, y compris la plupart des CFRP. Alors que les CFRP présentent une excellente résistance à la corrosion, l’effet de l’humidité à de larges plages de températures peut entraîner une dégradation des propriétés mécaniques des CFRP, en particulier à l’interface matrice-fibre. ^[6] Alors que les fibres de carbone elles-mêmes ne sont pas affectées par l’humidité se diffusant dans le matériau, l’humidité plastifie la matrice polymère. ^[5] Cela a conduit à des changements significatifs dans les propriétés qui sont principalement influencées par la matrice dans les CFRP, telles que les propriétés de compression, de cisaillement interlaminaire et d’impact. ^[7]La matrice époxy utilisée pour les pales du ventilateur du moteur est conçue pour être imperméable au carburéacteur, à la lubrification et à l’eau de pluie, et une peinture externe sur les pièces composites est appliquée pour minimiser les dommages causés par la lumière ultraviolette. ^{[5] [8]}

Les fibres de carbone peuvent provoquer une corrosion galvanique lorsque des pièces en CRP sont fixées sur de l’aluminium ou de l’acier doux, mais pas sur de l’acier inoxydable ou du titane. ^[9]

Les plastiques renforcés de fibre de carbone sont très difficiles à usiner et provoquent une usure importante des outils. L’usure de l’outil dans l’usinage CFRP dépend de l’orientation des fibres et des conditions d’usinage du processus de coupe. Pour réduire l’usure des outils, divers types d’outils revêtus sont utilisés dans l’usinage du CFRP et de l’empilement CFRP-métal. ^[1]

Fabrication

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Polymère renforcé de fibre de carbone

L’élément principal du CFRP est un filament de carbone ; celui-ci est produit à partir d’un polymère précurseur tel que le polyacrylonitrile (PAN), la rayonne ou le brai de pétrole . Pour les polymères synthétiques tels que le PAN ou la rayonne, le précurseur est d’abord filé en fils de filaments, en utilisant des procédés chimiques et mécaniques pour aligner initialement les chaînes polymères de manière à améliorer les propriétés physiques finales de la fibre de carbone terminée. Les compositions des précurseurs et les procédés mécaniques utilisés lors du filage des fils de filaments peuvent varier d’un fabricant à l’autre. Après étirage ou filage, les fils de filaments polymères sont ensuite chauffés pour chasser les atomes non carbonés ( carbonisation), produisant la fibre de carbone finale. Les fils de filaments de fibres de carbone peuvent être encore traités pour améliorer les qualités de manipulation, puis enroulés sur des bobines . ^[10] A partir de ces fibres, une nappe unidirectionnelle est créée. Ces feuilles sont superposées selon une disposition quasi-isotrope, par exemple 0°, +60° ou -60° l’une par rapport à l’autre.

A partir de la fibre élémentaire, on peut créer une nappe tissée bidirectionnelle, c’est-à-dire un sergé à armure 2/2. Le processus par lequel la plupart des CFRP sont fabriqués varie en fonction de la pièce créée, de la finition (brillant extérieur) requise et du nombre de pièces qui seront produites. De plus, le choix de la matrice peut avoir un effet profond sur les propriétés du composite fini.

De nombreuses pièces en CFRP sont créées avec une seule couche de tissu de carbone doublée de fibre de verre. Un outil appelé pistolet chopper est utilisé pour créer rapidement ces pièces composites. Une fois qu’une coque mince est créée à partir de fibre de carbone, le pistolet hacheur coupe des rouleaux de fibre de verre en petites longueurs et pulvérise de la résine en même temps, de sorte que la fibre de verre et la résine sont mélangées sur place. La résine est soit un mélange externe, dans lequel le durcisseur et la résine sont pulvérisés séparément, soit un mélange interne, ce qui nécessite un nettoyage après chaque utilisation. Les méthodes de fabrication peuvent inclure les éléments suivants :

Moulage

Une méthode de production de pièces en PRFC consiste à superposer des feuilles de tissu en fibre de carbone dans un moule ayant la forme du produit final. L’alignement et le tissage des fibres du tissu sont choisis pour optimiser les propriétés de résistance et de rigidité du matériau résultant. Le moule est ensuite rempli d’ époxy et est chauffé ou durci à l’air. La pièce résultante est très résistante à la corrosion, rigide et solide pour son poids. Les pièces utilisées dans les zones moins critiques sont fabriquées en drapant un tissu sur un moule, avec de l’époxy soit pré-imprégné dans les fibres (également connu sous le nom de pré-imprégné ) soit “peint” dessus. Les pièces hautes performances utilisant des moules simples sont souvent conditionnées sous vide et/ou autoclavées-durci, car même de petites bulles d’air dans le matériau réduiront la résistance. Une alternative à la méthode de l’autoclave consiste à utiliser la pression interne via des vessies gonflables ou de la mousse EPS à l’intérieur de la fibre de carbone non durcie.

Ensachage sous vide

Pour les pièces simples dont relativement peu d’exemplaires sont nécessaires (1 à 2 par jour), un sac sous vide peut être utilisé. Un moule en fibre de verre, en fibre de carbone ou en aluminium est poli et ciré, et un agent de démoulage est appliqué avant que le tissu et la résine ne soient appliqués, et le vide est tiré et mis de côté pour permettre à la pièce de durcir (durcir). Il existe trois façons d’appliquer la résine sur le tissu dans un moule sous vide.

La première méthode est manuelle et appelée couche humide, où la résine en deux parties est mélangée et appliquée avant d’être posée dans le moule et placée dans le sac. L’autre se fait par infusion, où le tissu sec et le moule sont placés à l’intérieur du sac tandis que le vide tire la résine à travers un petit tube dans le sac, puis à travers un tube avec des trous ou quelque chose de similaire pour répartir uniformément la résine dans tout le tissu. . Le métier à tisser fonctionne parfaitement pour un tube qui nécessite des trous à l’intérieur du sac. Ces deux méthodes d’application de résine nécessitent un travail manuel pour étaler la résine uniformément pour une finition brillante avec de très petits trous d’épingle.

Une troisième méthode de construction de matériaux composites est connue sous le nom de drapage à sec. Ici, le matériau en fibre de carbone est déjà imprégné de résine (pré-imprégné) et est appliqué sur le moule de la même manière qu’un film adhésif. L’ensemble est ensuite mis sous vide pour durcir. La méthode de stratification à sec a le moins de déchets de résine et peut réaliser des constructions plus légères que la stratification humide. De plus, étant donné que de plus grandes quantités de résine sont plus difficiles à purger avec les méthodes de stratification par voie humide, les pièces pré-imprégnées ont généralement moins de trous d’épingle. L’élimination des trous d’épingle avec des quantités de résine minimales nécessite généralement l’utilisation de pressions d’ autoclave pour purger les gaz résiduels.

Moulage par compression

Une méthode plus rapide utilise un moule à compression , également connu sous le nom de forgeage de fibre de carbone. Il s’agit d’un moule en deux (mâle et femelle) ou en plusieurs pièces, généralement en aluminium ou en acier et plus récemment en plastique imprimé en 3D. Les composants du moule sont pressés ensemble avec le tissu et la résine chargés dans la cavité interne qui devient finalement le composant souhaité. L’avantage est la rapidité de l’ensemble du processus. Certains constructeurs automobiles, comme BMW, prétendaient être capables de cycler une nouvelle pièce toutes les 80 secondes. Cependant, cette technique a un coût initial très élevé puisque les moules nécessitent un usinage CNC de très haute précision.

Enroulement filamentaire

Pour les formes difficiles ou alambiquées, un enrouleur de filaments peut être utilisé pour fabriquer des pièces en CFRP en enroulant des filaments autour d’un mandrin ou d’un noyau.

Applications

Les demandes de CFRP incluent les éléments suivants :

Génie aérospatial

Un Airbus A350 avec une livrée sur le thème de la fibre de carbone . Les matériaux composites sont largement utilisés dans l’A350.

L’ Airbus A350 XWB est construit à 52% de CFRP ^[11] , y compris les longerons d’aile et les composants du fuselage, dépassant le Boeing 787 Dreamliner , pour l’avion avec le rapport de poids le plus élevé pour le CFRP, qui est de 50%. ^[12] Ce fut l’un des premiers avions commerciaux à avoir des longerons d’aile en composites. L’ Airbus A380 a été l’un des premiers avions de ligne commerciaux à avoir un caisson central de voilure en CFRP ; c’est le premier à avoir une section transversale d’aile aux contours lisses au lieu que les ailes soient divisées en sections dans le sens de l’envergure. Cette section fluide et continue optimise l’efficacité aérodynamique. ^{[ citation nécessaire ]}De plus, le bord de fuite, ainsi que la cloison arrière, l’ empennage et le fuselage non pressurisé sont en CFRP. ^[13] Cependant, de nombreux retards ont repoussé les dates de livraison des commandes en raison de problèmes de fabrication de ces pièces. De nombreux avions qui utilisent le CFRP ont connu des retards avec les dates de livraison en raison des processus relativement nouveaux utilisés pour fabriquer les composants CFRP, alors que les structures métalliques ont été étudiées et utilisées sur les cellules pendant des années, et les processus sont relativement bien compris. Un problème récurrent est le suivi du vieillissement structurel, pour lequel de nouvelles méthodes sont constamment étudiées, en raison de la nature inhabituelle multi-matériaux et anisotrope du CFRP. ^[14]

En 1968, un ventilateur en fibre de carbone Hyfil était en service sur les Rolls-Royce Conways des Vickers VC10 exploités par la BOAC . ^[15]

Learn more.

Puits de carbone

Jul 6, 2022

Capture d’air directe

Jun 30, 2022

Fonte

Jun 27, 2022

Neutralité carbone

Jun 26, 2022

Les concepteurs et fabricants d’avions spécialisés Scaled Composites ont largement utilisé le CFRP dans toute leur gamme de conception, y compris le premier vaisseau spatial habité privé Spaceship One . Le CFRP est largement utilisé dans les micro-véhicules aériens (MAV) en raison de son rapport résistance / poids élevé.

Ingénierie automobile

Citroën SM qui a remporté le Rallye du Maroc 1971 avec des roues en fibre de carbone 1996 McLaren F1 – première carrosserie en fibre de carbone McLaren MP4 (MP4/1), première voiture F1 en fibre de carbone.

Les CFRP sont largement utilisés dans les courses automobiles haut de gamme. ^[16] Le coût élevé de la fibre de carbone est atténué par le Rapport résistance/poids inégalé du matériau, et un faible poids est essentiel pour les courses automobiles de haute performance. Les constructeurs de voitures de course ont également développé des méthodes pour donner de la résistance aux pièces en fibre de carbone dans une certaine direction, ce qui les rend solides dans une direction porteuse, mais faibles dans des directions où peu ou pas de charge serait placée sur le membre. À l’inverse, les fabricants ont développé des tissages omnidirectionnels en fibre de carbone qui appliquent la force dans toutes les directions. Ce type d’assemblage en fibre de carbone est le plus largement utilisé dans l’assemblage du châssis monocoque “cellule de sécurité” des voitures de course hautes performances. Le premier châssis monocoque en fibre de carbone a été introduit en Formule 1par McLaren lors de la saison 1981. Il a été conçu par John Barnard et a été largement copié dans les saisons suivantes par d’autres équipes de F1 en raison de la rigidité supplémentaire apportée au châssis des voitures. ^[17]

Au cours des dernières décennies, de nombreuses supercars ont largement intégré le CFRP dans leur fabrication, l’utilisant pour leur châssis monocoque ainsi que d’autres composants. ^[18] Dès 1971, la Citroën SM offrait des roues en fibre de carbone légères en option. ^{[19] [20]}

L’utilisation du matériau a été plus facilement adoptée par les fabricants à faible volume qui l’utilisaient principalement pour créer des panneaux de carrosserie pour certaines de leurs voitures haut de gamme en raison de sa résistance accrue et de son poids réduit par rapport au Polymère renforcé de verre qu’ils utilisaient pour le majorité de leurs produits.

Travaux publics

Le CFRP est devenu un matériau remarquable dans les applications d’ingénierie structurelle . Étudié dans un contexte académique quant à ses avantages potentiels dans la construction, il s’est également révélé rentable dans un certain nombre d’applications sur le terrain renforçant les structures en béton, maçonnerie, acier, fonte et bois. Son utilisation dans l’industrie peut être soit pour la modernisation d’une structure existante, soit comme matériau de renforcement (ou de précontrainte) alternatif à la place de l’acier dès le début d’un projet.

La modernisation est devenue l’utilisation de plus en plus dominante du matériau dans le génie civil, et les applications comprennent l’augmentation de la capacité de charge des anciennes structures (telles que les ponts) qui ont été conçues pour tolérer des charges de service bien inférieures à celles qu’elles connaissent aujourd’hui, la modernisation sismique et la réparation de ouvrages endommagés. La modernisation est populaire dans de nombreux cas, car le coût de remplacement de la structure défectueuse peut largement dépasser le coût de renforcement à l’aide de CFRP. ^[21]

Appliqué aux structures en béton armé pour la flexion, le CFRP a généralement un impact important sur la résistance (doubler ou plus la résistance de la section n’est pas rare), mais seulement une augmentation modérée de la rigidité (peut-être une augmentation de 10%). En effet, le matériau utilisé dans cette application est généralement très résistant (par exemple, 3000 MPa de résistance ultime à la traction , plus de 10 fois l’acier doux) mais pas particulièrement rigide (150 à 250 GPa, un peu moins que l’acier, est typique). En conséquence, seules de petites zones de section transversale du matériau sont utilisées. De petites zones de matériau à très haute résistance mais à rigidité modérée augmenteront considérablement la résistance, mais pas la rigidité.

Le CFRP peut également être appliqué pour améliorer la résistance au cisaillement du béton armé en enroulant des tissus ou des fibres autour de la section à renforcer. L’enroulement autour de sections (telles que des ponts ou des colonnes de construction) peut également améliorer la ductilité de la section, augmentant considérablement la résistance à l’effondrement sous une charge sismique. Cette «rénovation sismique» est la principale application dans les zones sujettes aux tremblements de terre, car elle est beaucoup plus économique que les méthodes alternatives.

Si une colonne est circulaire (ou presque), une augmentation de la capacité axiale est également obtenue par enveloppement. Dans cette application, le confinement de l’enveloppe CFRP améliore la résistance à la compression du béton. Cependant, bien que de fortes augmentations soient obtenues dans la charge d’effondrement ultime, le béton ne se fissurera qu’à une charge légèrement accrue, ce qui signifie que cette application n’est utilisée qu’occasionnellement. Le CFRP spécialisé à module ultra-élevé (avec un module de traction de 420 GPa ou plus) est l’une des rares méthodes pratiques de renforcement des poutres en fonte. En utilisation typique, il est collé à la bride de traction de la section, augmentant à la fois la rigidité de la section et abaissant l’ axe neutre , réduisant ainsi considérablement la contrainte de traction maximale dans la fonte.

Aux États-Unis, les tubes cylindriques en béton précontraint (PCCP) représentent la grande majorité des conduites d’eau. En raison de leurs grands diamètres, les défaillances des PCCP sont généralement catastrophiques et affectent de grandes populations. Environ 19 000 miles (31 000 km) de PCCP ont été installés entre 1940 et 2006. La corrosion sous forme de fragilisation par l’hydrogène a été blâmée pour la détérioration progressive des fils de précontrainte dans de nombreuses lignes PCCP. Au cours de la dernière décennie, les CFRP ont été utilisés pour aligner en interne le PCCP, ce qui a abouti à un système de renforcement entièrement structurel. À l’intérieur d’une ligne PCCP, le revêtement CFRP agit comme une barrière qui contrôle le niveau de contrainte subi par le cylindre en acier dans le tuyau hôte. Le revêtement composite permet au cylindre en acier de fonctionner dans sa plage élastique, pour assurer le pipeline’ s la performance à long terme est maintenue. Les conceptions de revêtement en PRFC sont basées sur la compatibilité des contraintes entre le revêtement et le tuyau hôte.^[22]

Le CFRP est un matériau plus coûteux que ses homologues de l’industrie de la construction, le polymère renforcé de fibres de verre (GFRP) et le polymère renforcé de fibres d’aramide (AFRP), bien que le CFRP soit, en général, considéré comme ayant des propriétés supérieures. De nombreuses recherches continuent d’être menées sur l’utilisation du CFRP à la fois pour la modernisation et comme alternative à l’acier comme matériau de renforcement ou de précontrainte. Le coût reste un problème et les questions de durabilité à long terme demeurent. Certains s’inquiètent de la nature fragile du CFRP, contrairement à la ductilité de l’acier. Bien que des codes de conception aient été élaborés par des institutions telles que l’American Concrete Institute, la communauté des ingénieurs reste hésitante quant à la mise en œuvre de ces matériaux alternatifs. En partie,

Microélectrodes en fibre de carbone

Les fibres de carbone sont utilisées pour la fabrication de microélectrodes en fibre de carbone . Dans cette application, une seule fibre de carbone d’un diamètre de 5 à 7 μm est généralement scellée dans un capillaire en verre. ^[23] À l’extrémité, le capillaire est soit scellé avec de l’époxy et poli pour fabriquer une microélectrode à disque en fibre de carbone, soit la fibre est coupée à une longueur de 75 à 150 μm pour fabriquer une électrode cylindrique en fibre de carbone. Les microélectrodes en fibre de carbone sont utilisées soit en ampérométrie , soit en voltamétrie cyclique à balayage rapide pour la détection de la signalisation biochimique.

Articles de sport

Un canoë en fibre de carbone et Kevlar (Placid Boatworks Rapidfire à l’ Adirondack Canoe Classic )

Le CFRP est maintenant largement utilisé dans les équipements sportifs tels que les raquettes de squash, de tennis et de badminton, les longerons de cerf-volant de sport , les flèches de haute qualité, les bâtons de hockey, les cannes à pêche, les planches de surf , les palmes de natation haut de gamme et les coques d’aviron . Les athlètes amputés tels que Jonnie Peacock utilisent des lames en fibre de carbone pour courir. Il est utilisé comme plaque de tige dans certaines baskets de basket-ball pour maintenir le pied stable, généralement sur toute la longueur de la chaussure juste au-dessus de la semelle et laissé exposé dans certaines zones, généralement dans la voûte plantaire.

De manière controversée, en 2006, des battes de cricket avec une fine couche de fibre de carbone sur le dos ont été introduites et utilisées dans des matchs de compétition par des joueurs de haut niveau, notamment Ricky Ponting et Michael Hussey . On prétendait que la fibre de carbone augmentait simplement la durabilité des chauves-souris, mais elle a été interdite de tous les matchs de première classe par la CPI en 2007. ^[24]

Un cadre de vélo en PRFC pèse moins qu’un cadre en acier, en aluminium ou en titane ayant la même résistance. Le type et l’orientation du tissage en fibre de carbone peuvent être conçus pour maximiser la rigidité dans les directions requises. Les cadres peuvent être réglés pour s’adapter à différents styles de conduite : les épreuves de sprint nécessitent des cadres plus rigides tandis que les épreuves d’endurance peuvent nécessiter des cadres plus flexibles pour le confort du cycliste sur de plus longues périodes. ^[25] La variété de formes dans lesquelles il peut être intégré a encore augmenté la rigidité et a également permis des sections de tube aérodynamiques . Fourches en PRFC , y compris couronnes et pivots de fourche à suspension, guidons , tiges de selle et manivellessont de plus en plus courants sur les vélos moyens et plus chers. Les jantes en CFRP restent chères mais leur stabilité par rapport à l’aluminium réduit le besoin de re-vérifier une roue et la masse réduite réduit le moment d’inertie de la roue. Les rayons CFRP sont rares et la plupart des essieux en carbone conservent les rayons traditionnels en acier inoxydable. Le CFRP apparaît également de plus en plus dans d’autres composants tels que les pièces de dérailleur, les leviers et les corps de frein et de changement de vitesse, les supports de pignon de cassette, les tringleries de suspension, les disques de frein à disque, les pédales, les semelles de chaussures et les rails de selle. Bien que solides et légers, les impacts, les surcouples ou l’installation incorrecte des composants CFRP ont entraîné des fissures et des défaillances, qui peuvent être difficiles ou impossibles à réparer. ^{[26] [27]}

Autres applications

La résistance au feu des polymères et des composites thermodurcissables est considérablement améliorée si une fine couche de fibres de carbone est moulée près de la surface, car une couche dense et compacte de fibres de carbone réfléchit efficacement la chaleur. ^[28]

Le CFRP est utilisé dans un nombre croissant de produits haut de gamme qui nécessitent de la rigidité et un faible poids, notamment :

Instruments de musique, y compris archets de violons; médiators de guitare, manches (tiges en fibre de carbone) et protège-médiators ; coquilles de tambour; chanteurs de cornemuse; et des instruments de musique entiers tels que les violoncelles, altos et violons en fibre de carbone de Luis et Clark ; et les guitares acoustiques et les ukulélés de Blackbird Guitars ; également des composants audio tels que des platines et des haut-parleurs.
Les armes à feu l’utilisent pour remplacer certains composants en métal, en bois et en fibre de verre, mais de nombreuses pièces internes sont encore limitées aux alliages métalliques, car les plastiques renforcés actuels ne conviennent pas.
Corps de drones hautes performances et autres composants de véhicules et d’avions radiocommandés tels que les pales de rotor d’hélicoptère.
Poteaux légers tels que : pieds de trépied, piquets de tente, cannes à pêche, queues de billard, cannes et poteaux à grande portée comme pour le nettoyage des vitres.
Dentisterie, les tenons en fibre de carbone sont utilisés pour restaurer les dents traitées par canal radiculaire.
Bogies ferroviaires pour le service voyageurs. Cela permet de réduire le poids jusqu’à 50 % par rapport aux bogies métalliques, ce qui contribue aux économies d’énergie. ^[29]
Coques pour ordinateurs portables et autres étuis hautes performances.
Tissus tissés en carbone. ^{[30] [31]}
Tir à l’arc, flèches et carreaux en fibre de carbone, crosse et rail.
En tant que filament pour le processus d’impression de modélisation par dépôt de fusion 3D, le Plastique renforcé de fibres de carbone (filament polyamide-carbone) est utilisé pour la production d’outils et de pièces robustes mais légers en raison de sa grande résistance et de sa longueur de déchirure. ^[32]
Réhabilitation des conduites de chauffage urbain, en utilisant la méthode CIPP.

Élimination et recyclage

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Les CFRP ont une longue durée de vie lorsqu’ils sont protégés du soleil. Lorsqu’il est temps de mettre hors service les CFRP, ils ne peuvent pas être fondus dans l’air comme de nombreux métaux. Lorsqu’ils sont exempts de vinyle (PVC ou chlorure de polyvinyle ) et d’autres polymères halogénés, les CFRP peuvent être décomposés thermiquement par dépolymérisation thermique dans un environnement sans oxygène. Cela peut être accompli dans une raffinerie dans un processus en une étape. La capture et la réutilisation du carbone et des monomères sont alors possibles. Les CFRP peuvent également être broyés ou déchiquetés à basse température pour récupérer la fibre de carbone ; cependant, ce processus raccourcit considérablement les fibres. Tout comme avec downcycledpapier, les fibres raccourcies rendent le matériau recyclé plus fragile que le matériau d’origine. Il existe encore de nombreuses applications industrielles qui n’ont pas besoin de la résistance d’un renforcement en fibre de carbone sur toute la longueur. Par exemple, la fibre de carbone récupérée hachée peut être utilisée dans l’électronique grand public, comme les ordinateurs portables. Il fournit un excellent renforcement des polymères utilisés même s’il n’a pas le Rapport résistance/poids d’un composant aérospatial.

Polymère renforcé de nanotubes de carbone (CNRP)

En 2009, Zyvex Technologies a introduit de l’époxyde renforcé de nanotubes de carbone et des pré-imprégnés de carbone . ^[33] Le polymère renforcé de nanotubes de carbone (CNRP) est plusieurs fois plus résistant et plus résistant que le CFRP et est utilisé dans le Lockheed Martin F-35 Lightning II comme matériau de structure pour les avions. ^[34] Le CNRP utilise toujours la fibre de carbone comme renfort principal, ^[35] mais la matrice de liaison est un époxy rempli de nanotubes de carbone. ^[36]

Voir également

Fibres de carbone – Fibres de matériau d’environ 5 à 10 μm de diamètre composées de carbone
Réparation composite – Préparation et application de correctifs de réparation composites
Mécanique des lames de course d’Oscar Pistorius – Lames utilisées par le coureur paralympique sud-africain Oscar Pistorius
Carbone-carbone renforcé
Fibre de carbone forgée
Carbone-céramique

Références

^ ^un ^b Nguyen, Dinh; Abdullah, Mohammad Sayem Bin; Khawarizmi, Ryan; Kim, Dave ; Kwon, Patrick (2020). “L’effet de l’orientation des fibres sur l’usure des outils dans la coupe des bords des stratifiés en Plastique renforcé de fibres de carbone (CFRP)”. Porter . Elsevier BV 450–451 : 203213. doi : 10.1016/j.wear.2020.203213 . ISSN 0043-1648 . S2CID 214420968 .
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Liens externes

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Association japonaise des fabricants de fibres de carbone (anglais)
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