L’acier a longtemps été utilisé pour créer des structures solides, durables et rigides. La fibre de carbone est un ajout relativement récent aux matériaux structurels, mais ses propriétés sont impressionnantes et uniques. Voici une ventilation des propriétés de ces deux matériaux et quelques exemples d’industries qui se tournent vers la fibre de carbone.
Qu’est-ce que la fibre de carbone ?
La fibre de carbone est composée de carbone, un élément naturel, et possède une grande résistance à la traction grâce à sa structure cristalline. Elle est utilisée pour fabriquer des pièces composites légères et à haute résistance, la fibre étant intégrée dans une matrice polymère. La physique du carbone le rend très solide et incroyablement rigide. Le module d’élasticité (une mesure de la résistance d’un matériau à la déformation) des fibres de carbone se situe entre 150 et 760 gigapascals (GPa). Cette large fourchette s’explique par le fait que le processus de fabrication peut être modifié pour adapter la rigidité et la résistance. La résistance à la traction de la fibre de carbone est l’une des plus élevées de tous les matériaux disponibles. Bien que de nombreux matériaux, y compris l’acier, puissent présenter une rigidité et une résistance à la traction élevées, les véritables avantages de la fibre de carbone sont son rapport résistance/poids et son rapport rigidité/poids en raison de sa faible densité (environ 1,6 g/cm3). Cela permet aux matériaux en fibre de carbone d’avoir une résistance à la traction élevée tout en étant légers. En tant que tel, c’est un candidat idéal pour les applications industrielles telles que :
- Robotique
- Métrologie
- Véhicules terrestres
- voitures
- Camions
- motos
Turbines éoliennes
Dans beaucoup de ces applications, les matériaux plus lourds consomment plus d’énergie, provoquent une plus grande usure au fil du temps et/ou rendent les conceptions à haute performance difficiles, voire impossibles.
Comment l’acier se compare-t-il ?
L’acier est un matériau de référence depuis longtemps en raison de son module d’élasticité élevé d’environ 200 GPa. Cette rigidité, et sa relative abondance, en ont fait un matériau omniprésent dans la fabrication. Mais avec une densité d’environ 8 g/cm3, son poids peut être très pénible pour les machines qu’il est censé renforcer. C’est environ 5 fois le poids des matériaux en fibre de carbone qui offriraient la même rigidité ou mieux.
Quelles sont les applications courantes de la fibre de carbone ?
La fibre de carbone peut être utilisée pour fabriquer une grande variété de produits. Tout ce qui doit être rigide et léger est un candidat parfait pour les matériaux composites en fibre de carbone. Ce sont des options populaires pour les étuis de téléphone, car ils offrent de grands niveaux de protection contre les dommages. Ils sont de plus en plus utilisés dans les drones et les véhicules aériens sans pilote (UAV), où leur faible poids contribue à alléger la structure et à augmenter la charge utile. Dans l’industrie automobile, les nouvelles avancées de la technologie de la fibre de carbone pourraient permettre de réduire de près de moitié le poids des voitures. En outre, la fibre de carbone ne souffre pas de la dilatation thermique de l’acier ou de l’aluminium. Les tables d’imagerie médicale bénéficient de la résistance et de la rigidité de la fibre de carbone, qui maintient les dimensions critiques sous charge sans se dégrader au fil du temps, même après des doses élevées de rayons X et de rayons gamma.
Est-il facile de couper la fibre de carbone par rapport à l’acier ?
La fibre de carbone est plus facile à couper que l’acier. Son faible poids facilite la manipulation et les roues rotatives ou les scies avec des lames en diamant ou en carbure de tungstène coupent facilement le composite en fibre de carbone et facilitent le prototypage.