Tissages en fibre de carbone : qu'est-ce que c'est et pourquoi les utiliser ?

Si vous vous êtes déjà demandé pourquoi un morceau de fibre de carbone pouvait être différent d'un autre, vous n'êtes pas seul. La fibre de carbone se décline en de nombreux tissages différents, chacun servant un objectif différent, et ce n'est pas seulement décoratif.

Les fibres de carbone sont fabriquées à partir de précurseurs tels que le polyacrylonitrile (PAN) et la rayonne. Les fibres précurseurs sont traitées chimiquement, chauffées et étirées, puis carbonisées pour créer des fibres à haute résistance. Ces fibres, ou filaments, sont ensuite regroupées pour former des câbles, qui sont identifiés par le nombre de filaments de carbone qu'ils contiennent. Les classes de remorquage courantes sont 3k, 6k, 12k et 15k. "k" signifie mille, donc un remorquage de 3k est composé de 3,000 filaments de carbone. Un câble standard de 3 k mesure généralement 0 0,125 pouce de large, ce qui permet de stocker beaucoup de fibres dans un petit espace. Un câble de 6 k contient 6 000 filaments de carbone, un câble de 12 k en contient 12 {{16 }} filaments de carbone, etc. De nombreuses fibres à haute résistance regroupées font de la fibre de carbone un matériau aussi résistant.

Fibre de carbone tissée
La fibre de carbone se présente généralement sous la forme d'un tissu tissé, ce qui facilite le travail et, selon l'application, peut fournir une résistance structurelle supplémentaire. En conséquence, les tissus en fibre de carbone se déclinent en de nombreux tissages différents. Les plus courants sont le satin uni, le sergé et le ruban, et nous les examinerons plus en détail.

armure toile
Les panneaux en fibre de carbone à armure toile semblent symétriques, avec un petit aspect en damier. Dans ce tissage, les câbles sont tissés selon un motif dessus/dessous. Le faible espacement entre les armures confère au tissage uni une grande stabilité. La stabilité du tissu est la capacité d'un tissu à maintenir son angle de tissage et l'orientation de ses fibres. En raison de ce haut niveau de stabilité, le tissage uni est moins adapté aux couches de contour complexes, il ne sera pas aussi flexible que certains autres tissages. D'une manière générale, le tissage uni convient aux tôles plates, aux tuyaux et aux courbes bidimensionnelles.

Un inconvénient de ce motif de tissage est le sertissage grossier (l'angle que font les fibres lors du tissage, voir ci-dessous) dans le câble en raison de la courte distance entre les tissages. Les sertissages rugueux créent des concentrations de contraintes qui peuvent affaiblir la pièce au fil du temps.

Tissage sergé
Le sergé agit comme un pont entre le tissage uni et le tissage satin dont nous parlerons ensuite. Le sergé est suffisamment flexible pour former des contours complexes et maintient mieux la stabilité du tissu que le tissage satin sellier, mais pas aussi bon que le tissage uni. Si vous suivez un câble en sergé, il passe par un certain nombre de câbles, puis par le même nombre de câbles. Le motif dessus/dessous crée une apparence de pointe de flèche diagonale connue sous le nom de "ligne diagonale". La distance plus longue entre les tissages de câbles signifie moins de frisage et moins de concentration de contraintes potentielles par rapport à un tissage uni.

Sergé 2×2

Sergé 4×4
Le sergé 2 × 2 est probablement le tissu en fibre de carbone le plus connu de l'industrie. Il est utilisé dans de nombreuses applications cosmétiques et décoratives mais est également très fonctionnel, il a à la fois une formabilité modérée et une stabilité modérée. Comme le nom du 2 × 2 l'indique, chaque remorquage passera par 2 remorquages ​​puis par 2 remorquages. De même, un sergé 4 × 4 passera par 4 remorquages ​​puis 4 remorquages. Il est légèrement plus formable que le sergé 2×2 car le tissage est moins serré, mais il est aussi moins stable.

Harnais Satin Armure
Le tissage satiné a été conçu il y a des milliers d'années pour créer des tissus en soie qui ont un excellent drapé tout en étant lisses et sans couture. Pour les composites, cette drapabilité signifie qu'il peut facilement former et envelopper des contours complexes. En raison de la grande formabilité de ce tissu, on s'attend à ce qu'il ait une faible stabilité. Les tissages courants sont à quatre brins (4HS), à cinq brins (5HS) et à huit brins (8HS). À mesure que le nombre de tissages de satin augmente, la formabilité augmente tandis que la stabilité du tissu diminue.

4HS

5HS

8HS

Le nombre dans le nom Harness Satin indique le nombre total de traits passés. Pour 4HS, ce sera plus de 3 traits puis moins de 1 trait. Pour 5HS ce sera plus de 4 traits puis moins de 1 trait et pour 8HS ce sera plus de 7 traits puis moins de 1 trait.

Remorquage étalé vs remorquage standard
Les matériaux de remorquage étalés peuvent être un bon compromis entre l'utilisation de matériaux unidirectionnels et de matériaux tissés standard. Lorsque les câbles de fibres sont tissés de haut en bas pour former un tissu, la résistance est réduite en raison des frisures dans les câbles. Au fur et à mesure que vous augmentez le nombre de filaments dans un câble standard, disons de 3k à 6k, le câble devient plus grand (plus épais) et l'angle de sertissage devient plus net. Une façon d'éviter cela consiste à étendre les filaments en câbles plus larges, appelés câbles étalés, ce qui présente plusieurs avantages.

Les câbles étalés offrent un angle de sertissage plus petit que les tresses de câble standard et peuvent réduire les défauts de croisement en augmentant la douceur. Des angles de sertissage inférieurs se traduiront par une plus grande résistance. Les matériaux de remorquage étalés sont également plus faciles à travailler que les matériaux unidirectionnels et ont toujours une assez bonne prévention de l'arrachement des fibres.

Étendre le remorquage ordinaire

Étaler le sergé de remorquage
unidirectionnel
Comme son nom l'indique, uni signifie un et toutes les fibres sont orientées dans la même direction. Cela offre des avantages de haute résistance aux tissus unidirectionnels (UD). Le tissu UD n'est pas tissé et n'a pas de fibres entrelacées frisées qui fragiliseraient la structure. Au lieu de cela, il existe des fibres continues qui ajoutent de la résistance et de la rigidité. Un autre avantage est la possibilité de personnaliser l'empilement avec un meilleur contrôle sur les caractéristiques de performance. Un cadre de vélo est un excellent exemple de la façon dont les tissus UD peuvent être utilisés pour ajuster les performances. Le cadre doit être rigide dans la zone du boîtier de pédalier pour transférer la puissance du cycliste aux roues, mais il doit également être conforme et flexible afin de ne pas submerger le cycliste. Avec les matériaux UD, vous pouvez choisir l'orientation précise des fibres pour obtenir la résistance souhaitée.

Un inconvénient majeur de l'UD est sa maniabilité. L'UD se désagrège facilement pendant le drapage car il n'a pas de fibres entrelacées pour le maintenir ensemble. Si les fibres sont mal placées, il est presque impossible de les réorienter correctement à nouveau. Les pièces usinées fabriquées à partir de tissus UD peuvent également causer des problèmes. Si des fibres sont tirées vers le haut à l'endroit où la fonction a été coupée, ces fibres lâches seront tirées tout au long de la pièce. En règle générale, si un matériau UD est sélectionné pour le drapage, une couche de matériau tissé est utilisée pour les première et dernière couches afin d'améliorer l'aptitude au traitement et la durabilité de la pièce. C'est ce que font les cadres de drones amateurs jusqu'à la production de pièces de fusée.