À propos de la résistance de la fibre de carbone : ce que vous devez savoir

En raison de son Propriété unique : haute résistance, la fibre de carbone est devenue le choix privilégié de nombreux secteurs. Mais connaissez-vous sa solidité ? Lorsque vous recherchez le matériau idéal pour votre projet ou votre solution, connaissez-vous le secret de sa résistance ? 

Lisez ce guide pour comprendre les différents domaines d'application des informations sur la résistance de la fibre de carbone. Discutons-en.

1. WQu'est-ce que la fibre de carbone ?

La fibre de carbone est obtenue par carbonisation à haute température de composés organiques polymères (plomb, bitume de pétrole ou viscose). Il s'agit d'un filament à haute résistance et à haut module, dont la teneur en carbone est supérieure à 90%. Ces câbles de fibres de cristal de carbone haute résistance sont tissés en tissu de fibre de carbone, qui est ensuite préimprégné de résine époxy, un polymère thermodurcissable collant. Le tissu est ensuite transformé en feuilles, tubes ou pièces de fibre de carbone, plus résistants.

2. Qu’est-ce qui rend la fibre de carbone si résistante ?

Tout d'abord, cela dépend principalement de la structure moléculaire unique en chaîne de la fibre de carbone, composée principalement d'atomes de carbone disposés selon une structure semblable à celle du graphite pour former une structure cristalline hexagonale solide. De fortes liaisons covalentes relient ces atomes de carbone pour former une grande chaîne moléculaire. Cette disposition confère à la fibre de carbone une résistance à la traction et une rigidité extrêmement élevées tout en restant légère. Cependant, lorsqu'il est imprégné de matrices polymères thermiques telles que la résine époxy, le matériau composite renforcé formé par durcissement à haute température est laminé selon différents angles et directions, ce qui non seulement maintient la résistance à la traction des fibres de carbone, mais améliore également leur fragilité initiale, ce qui confère à la pièce composite sa robustesse et permet d'obtenir l'effet 1+1 supérieur à 2.

3. Mesures de la résistance de la fibre de carbone

La résistance de la fibre de carbone est la force maximale par unité de surface qu'une fibre de carbone peut supporter sans fracture ni déformation élastique lorsqu'elle est soumise à des processus externes de traction ou de compression.

La résistance à la traction et le module d'élasticité sont deux indicateurs clés de la résistance des fibres de carbone et sont mesurés respectivement en mégapascals (MPa) ou en gigapascals (GPa).

Résistance à la traction: La fibre de carbone résiste à la rupture sous contrainte de traction. Sa résistance à la traction est généralement supérieure à 3 500 MPa, soit 7 à 9 fois supérieure à celle de l'acier.

Module d'élasticité : Il s'agit du rapport entre la contrainte et la déformation par unité de surface de la fibre de carbone lorsqu'elle est soumise à une force externe, où la déformation est la quantité de déformation produite par un objet lorsqu'il est soumis à une force externe, et la contrainte est l'ampleur de la force externe par unité de surface. 

Le module d'élasticité est une mesure de la capacité d'un matériau à résister à la déformation lorsqu'il est soumis à des forces externes, reflétant la rigidité du matériau. Le module d'élasticité de la fibre de carbone est généralement supérieur à 230 GPa, ce qui signifie qu'elle peut conserver sa forme lorsqu'elle est soumise à des forces externes et présente une excellente résistance à la déformation.

4. Résistance de la fibre de carbone par rapport aux autres matériaux.

La fibre de carbone est cinq fois plus résistante et deux fois plus dure que l'acier, mais seulement 1/4 de la densité de l'acier, ce qui en fait le matériau idéal pour de nombreux besoins de haute résistance et de légèreté, avec des avantages significatifs en termes de poids et de résistance.

A. La fibre de carbone est-elle plus résistante que l’aluminium ?

La fibre de carbone a une résistance à la traction d'environ 7 000 MPa, tandis que les alliages d'aluminium atteignent généralement 700 MPa, ce qui la rend 5 à 10 fois plus résistante que l'aluminium. Le module d'élasticité de la fibre de carbone est d'environ 200 à 350 GPa, contre 69 à 79 GPa pour les alliages d'aluminium. La fibre de carbone est donc 2 à 5 fois plus rigide que l'aluminium. Globalement, la fibre de carbone est beaucoup plus résistante que l'aluminium.

B. La fibre de carbone est-elle plus résistante que l’acier ? 

Grâce à sa faible densité, la fibre de carbone pèse cinq fois moins que l'acier, mais est sept à dix fois plus résistante. Ainsi, à résistance égale, le choix de la fibre de carbone permet de réduire considérablement le poids d'une structure, ce qui est particulièrement important pour les applications exigeant une grande légèreté. Son module élevé lui confère également d'excellentes performances sous des charges dynamiques continues, offrant une résistance supérieure à la fatigue.

C. La fibre de carbone est-elle plus résistante que le titane ?

La forte anisotropie des fibres de carbone leur confère une résistance élevée dans certaines directions, les rendant plus résistantes que le titane. De plus, en termes de rigidité et de densité, la fibre de carbone est également supérieure au titane.

5. Facteurs affectant la résistance des fibres de carbone

A. Qualité et type de fibre de carbone : 

La qualité de chaque fibre de carbone détermine la qualité du matériau composite global. Plus le module est élevé, plus une fibre de carbone de haute qualité avec un câble long est résistante.

B. Système de résine : 

La résine thermodurcissable combinée à la fibre de carbone rendra la fibre de carbone plus résistante, donc le type, la qualité, le contenu et les caractéristiques de durcissement de la résine affectent directement ou indirectement la résistance de la fibre de carbone composite, pour avoir différentes résistances de la fibre de carbone, le choix de la résine est tout aussi important pour vous.

C. Direction des fibres et conception de la disposition : 

La fibre de carbone est tissée à partir de câbles. Différentes méthodes de tissage influencent également sa résistance. Le traitement ultérieur, ainsi que les composites préimprégnés à base de résine époxy, varient également en fonction du sens de stratification. Vous pouvez choisir des stratifications croisées de 0°/+-45°/+-90° ou d'autres stratifications croisées pour modifier la résistance de la fibre de carbone et obtenir les propriétés souhaitées. Vous pouvez également choisir des stratifications croisées de 0°/+-45°/+-90° pour modifier la résistance de la fibre de carbone et obtenir les propriétés souhaitées.

D. Procédé de fabrication : 

Nous savons tous que le processus de fabrication joue un rôle décisif dans les performances des matériaux composites. Lors de la fabrication de matériaux composites en fibre de carbone, vous pouvez contrôler la qualité du préimprégné, le temps de durcissement du composite, le contrôle précis de la température, l'application de la pression et les processus assistés par vide, maîtriser la vitesse de refroidissement afin que la résistance des matériaux en fibre de carbone soit conforme aux besoins de votre application.

6. Applications qui utilisent la résistance des fibres de carbone

Domaine aérospatial : Dans l'application des drones et des avions, le rapport résistance/poids élevé de la fibre de carbone peut vous offrir des structures plus légères avec des performances de sécurité plus élevées et une efficacité énergétique améliorée.

Industrie automobile : Les pièces en fibre de carbone sont principalement utilisées dans les voitures hautes performances, leur faible densité rendra les pièces de votre voiture plus légères, et leur résistance et rigidité élevées rendront la forme de la voiture plus robuste et amélioreront les normes de sécurité.

Équipement de sport de plein air : Des pagaies aux bâtons de randonnée et aux vélos, la haute résistance et la faible densité de la fibre de carbone vous ont aidé à améliorer et à concevoir votre équipement sportif, permettant de meilleures performances et réduisant la fatigue de l'utilisateur.

Industrie médicale:La résistance et le poids élevés de la fibre de carbone ainsi que l'inertie du métal ont permis son utilisation dans une large gamme d'équipements médicaux tels que les prothèses, les équipements de radiographie, les fauteuils roulants et les lits chirurgicaux.

7. Conclusion

Les propriétés supérieures de la fibre de carbone offrent une combinaison de résistance à la traction élevée, de rigidité élevée et de légèreté supérieure à celle de la plupart des matériaux traditionnels. Adaptable à votre application spécifique, la fibre de carbone peut être votre premier choix, que vous soyez dans l'aéronautique, la construction automobile, les fournitures médicales ou tout autre secteur nécessitant un matériau haute performance.