Fibre de carbone ou Kevlar : le guide ultime pour vous aider à choisir les bons composites

Pourquoi la fibre de carbone est-elle choisie pour les pièces automobiles et les composants aérospatiaux de haute performance ? Dans le même temps, le Kevlar est le premier choix pour les gilets pare-balles et les casques balistiques dans les secteurs militaire et de la sécurité. 

 En tant que deux matériaux les plus importants dans les composites de renforcement, ils semblent similaires mais ont chacun leurs propres mérites. Que vous soyez un passionné et un novice en matière de matériaux, un ingénieur et un concepteur de matériaux ou un décideur dans l'industrie des matériaux, il est essentiel de comprendre et d'apprendre les différences entre la fibre de carbone et le Kevlar pour choisir le bon matériau qui répond à vos besoins spécifiques. 

Ensuite, nous examinerons les caractéristiques des produits de ces deux matériaux hautes performances, leurs scénarios d’application et comment choisir le matériau le plus adapté à vos besoins.

Vous trouverez ci-dessous une comparaison des deux matériaux. Nous espérons qu'elle approfondira votre compréhension de la fibre de carbone et du Kevlar et vous guidera dans vos choix de matériaux éclairés en fonction des besoins spécifiques de votre application.

1. Définitions et différences essentielles

Fibre de carbone : le roi de la légèreté

La fibre de carbone est un matériau fibreux à module élevé, à haute résistance et à faible densité composé de polyacrylonitrile PAN, de pétrole ou d'asphalte qui se fissure à haute température et dont la teneur en carbone est supérieure à 90%.

Kevlar : Expert en résistance aux chocs

Le Kevlar, également appelé matériau en fibre d'aramide, est un polymère polymérisé à partir de p-phénylènediamine et de chlorure de téréphtaloyle. Il présente les propriétés d'une résistance élevée à l'usure, d'une résistance élevée à la déchirure et d'une résistance élevée à la traction.

2. Comparaison des processus de production

Procédé de fabrication de la fibre de carbone

Préparation du filament brut (polyacrylonitrile (PAN), pétrole ou asphalte) → Préoxydation (200-400°C dans l'air) → Carbonisation (1000-2000°C dans l'azote sans oxygène) → Graphitisation (2500-3000°C) → Traitement de surface (pour améliorer les performances de liaison de la fibre de carbone et de la matrice du matériau composite, un traitement de surface, un dimensionnement, un séchage et d'autres processus sont nécessaires.)

Coût énergétique : la consommation électrique du four de graphitisation représente 35% des coûts de production

Obstacle technique : la fibre de carbone à haut module nécessite un contrôle environnemental à l'azote pur à très haute température

Procédé de fabrication du Kevlar

Méthode de filage en solution (procédé breveté DuPont) : Condensation de p-diphénylamine + chlorure de téréphtaloyle en polycondensation de chlorure de téréphtaloyle (PPTA) → réaction de polymérisation → puis dissolution du polymère dans un solvant (comme une solution d'acide sulfurique concentrée) → lavage et étirement pour le filage → formation finale du matériau fibreux en réseau requis et enroulement en fil

Défi environnemental : Le taux de récupération de l'acide sulfurique concentré doit atteindre 99,8% pour maîtriser les coûts

Caractéristiques du procédé : Le filage à cristaux liquides permet d'obtenir une concentration moléculaire élevée

3. Comparaison des performances entre la fibre de carbone et le Kevlar

La fibre de carbone et le Kevlar présentent des différences évidentes en termes de propriétés physiques et mécaniques. La fibre de carbone est principalement composée d'éléments en carbone et présente une faible densité, une résistance et une rigidité élevées, une résistance aux températures élevées, une résistance à la corrosion et d'autres propriétés. Sa densité est d'environ 1,75 g/cm³ et après un traitement à haute température, la densité peut atteindre 2,0 g/cm³. La structure microcristalline de la fibre de carbone lui permet de présenter une résistance et une rigidité extrêmement élevées le long de l'axe de la fibre et est anisotrope.

En revanche, le Kevlar est un matériau composite à base de fibres d'aramide, dont le nom complet est polyphénylène téréphtalamide. Il présente une résistance élevée, une résistance élevée à l'usure, une résistance élevée à la déchirure, une résistance à la chaleur et à la flamme, des propriétés antistatiques et une résistance aux acides et aux alcalis. La densité du Kevlar est de 1,44 à 1,46 g/cm³. À taille égale, il est plus léger que la fibre de carbone et sa résistance est 5 fois supérieure à celle de l'acier de même qualité, mais sa densité n'est que d'un cinquième de celle de l'acier.

Prenons comme exemple la fibre de carbone et le Kevlar spécifiques : une comparaison des paramètres de base

Le principal avantage de la fibre de carbone est donc sa rigidité spécifique élevée (rapport rigidité/densité), qui est cinq fois supérieure à celle de l'aluminium aéronautique. Elle présente également une bonne résistance à la fatigue et un taux de rétention de résistance supérieur à 95% sous des charges cycliques.

Le principal avantage du Kevlar est sa bonne absorption d'énergie. L'absorption d'énergie par unité de poids est 8 fois supérieure à celle de l'acier. Il présente une résistance élevée aux coupures et nécessite une force de 4 500 N pour couper une seule couche de tissu. C'est un choix idéal dans le domaine de la protection militaire.

4. Coût et prix du kevlar par rapport à la fibre de carbone : analyse des coûts

(Prenons l’exemple de la fabrication de pièces automobiles et de panneaux de carrosserie)

5. Comparaison des domaines d'application

En raison de sa résistance à la fatigue, de sa résistance et de sa rigidité élevées et de sa faible densité, la fibre de carbone est généralement largement utilisée dans les structures porteuses aérospatiales, les supports, les pièces automobiles, comme les kits d'embrayage, les plaques d'embrayage, les courroies, les équipements de sports de plein air tels que les cadres de vélo haute performance, les clubs de golf, les pagaies et les pagaies de pickleball, les kayaks, les équipements médicaux et les équipements industriels.

Le Kevlar est devenu le meilleur choix pour les domaines de protection militaire et de sécurité tels que les gilets pare-balles, les casques de moto pare-balles, les masques de gardien de but, les cagoules, les étuis de téléphone et autres équipements de protection, comme les vêtements de protection des pompiers, en raison de sa résistance élevée à la traction, à la déchirure et à l'usure.

6. Intégration de technologies de pointe

1). Technologie hybride fibre de carbone/Kevlar: La fibre de carbone peut être combinée avec du Kevlar, ce qui permet non seulement de garantir la rigidité élevée et les caractéristiques de légèreté de la fibre de carbone, mais également de tirer parti de la résistance élevée aux chocs du Kevlar. Par exemple, les châssis de course et les coques de drones peuvent utiliser des structures de support de poutre principale en fibre de carbone + des revêtements en tissu Kevlar, améliorant ainsi les performances grâce au 40%.

2). Lorsque la surface en fibre de carbone est connectée à des nanofils de carbure de silicium, la résistance au cisaillement de l'interface peut être augmentée de 65%.

3). Une fois la fibre Kevlar dopée au nitrure de bore, le seuil de résistance à la chaleur dépasse 600°C.

7. FAQ

1). Le Kevlar est-il plus léger que la fibre de carbone ?

Oui, la densité du Kevlar est d'environ 1,44-1,46 g/cm³, mais la densité de la fibre de carbone est de 1,7 g/cm³, donc le Kevlar est plus léger que la fibre de carbone

2) La fibre de carbone est-elle plus résistante que le Kevlar ?

Si la dimension de comparaison horizontale est différente, la résistance de la fibre de carbone et du Kevlar sera différente : sous une charge statique continue, la fibre de carbone a une résistance à la compression et à la fatigue plus élevées (+18%), mais la capacité du Kevlar à absorber l'énergie externe sous un impact dynamique est supérieure.

3) Quels sont les avantages des composites Kevlar en nid d’abeille dans la fabrication navale ? 

Le composite Kevlar en nid d'abeille associe un noyau en nid d'abeille à de la fibre d'aramide pour garantir légèreté, résistance élevée à la traction et aux chocs. Il est à l'épreuve des balles et particulièrement adapté à la cabine résistante à la pression des équipements d'exploration en eau profonde.

4) La fibre de carbone est-elle résistante aux balles ?

La fibre de carbone seule n'est pas résistante aux balles à des fins pratiques. Bien qu'elle offre une grande résistance et une grande légèreté, sa fragilité et sa rigidité la rendent inadaptée pour arrêter les balles sans renforcement par d'autres matériaux absorbant l'énergie. 

8. Conclusion

Dans le domaine de la science des matériaux, le jeu entre la fibre de carbone et le Kevlar n’est pas une simple relation de substitution, mais une combinaison technologique de « caractéristiques complémentaires ». 

Grâce à une analyse comparative systématique, nous pouvons tirer les conclusions clés suivantes :

La fibre de carbone résiste aux contraintes à l'état stable avec une résistance et une rigidité supérieures, tandis que le Kevlar présente une résistance élevée aux chocs, à l'abrasion et une résistance à la traction spécifique pour gérer les dommages causés par un impact de niveau balle.

Le choix du matériau dépend de vos exigences de performances spécifiques pour des applications sur le terrain spécifiques. Tant que vous en tirez parti, ils peuvent briller dans leurs domaines respectifs.