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 remplissant 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 former des fibres à haute résistance. Ces fibres ou filaments sont ensuite regroupés et identifiés par le nombre de filaments de carbone qu'ils contiennent. Les cotes de remorquage courantes sont 3k, 6k, 12k et 15k. Le « k » signifie mille, donc un câble de 3k est constitué de 3 000 filaments de carbone. Le câble standard 3k mesure généralement 0,125 pouces de large, ce qui représente beaucoup de fibre entassée dans un petit espace. Un câble de 6 000 a 6 000 filaments de carbone, un câble de 12 000 a 12 000 filaments de carbone, et ainsi de suite. De grandes quantités de fibres à haute résistance regroupées font de la fibre de carbone un matériau très résistant.

tissage en fibre de carbone
La fibre de carbone se présente souvent sous la forme de tissus tissés, ce qui facilite son travail et peut fournir une résistance structurelle supplémentaire en fonction de l'application. Par conséquent, les tissus en fibre de carbone peuvent être tissés de différentes manières. Les plus courants sont le satin uni, le sergé et le satin à bretelles, et nous couvrirons chaque matériau en détail.

armure toile
Les feuilles unies en fibre de carbone ont un aspect symétrique avec un petit aspect en damier. Dans ce tissage, les brins sont tissés selon un motif dessus/dessous. La courte distance entre les entrelacements confère au tissage uni un haut degré de stabilité. La stabilité du tissu fait référence à la capacité d'un tissu à conserver 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 superpositions aux contours complexes et il ne sera pas aussi flexible que certains autres tissus. D'une manière générale, le tissu à armure toile convient aux draps plats, aux tuyaux et aux courbes bidimensionnelles.

Un inconvénient de ce modèle de tissage est qu'il y a un enroulement important des brins en raison de la courte distance entre les entrelacs (les angles que forment les fibres lors du tissage, voir ci-dessous). Un sertissage brutal crée des concentrations de contraintes qui affaiblissent la pièce au fil du temps.

Tissage sergé
Le sergé est le pont entre le tissage uni et le tissage satiné dont nous parlerons ensuite. Le tissu sergé a une bonne flexibilité et peut former des contours complexes. Il est pire que le tissu en satin à bretelles pour maintenir la stabilité du tissu, mais pas aussi bon que le tissu à armure toile. Si vous suivez les brins d'étoupe dans un tissage sergé, il passe par un certain nombre de câbles puis par le même nombre de câbles. Le motif haut/bas crée l’apparence d’une flèche diagonale, appelée « ligne sergé ». La distance plus longue entre les câbles entrelacés signifie moins de boucles et moins de concentrations de contraintes potentielles par rapport aux tissus à armure toile.

tissu sergé 2 × 2

Sergé 4×4
Le sergé 2 × 2 est probablement le tissage de 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 combine une formabilité moyenne avec une stabilité moyenne. Comme le nom 2 × 2 l'indique, chaque trait passera par 2 traits puis traversera les deux traits. De même, un sergé 4×4 sera enfilé sur 4 câbles puis sur 4 câbles. Il se forme légèrement mieux que le sergé 2×2 car le tissage n'est pas aussi serré, mais il est également moins stable.

harnais satiné
Le tissage satiné a été conçu il y a des milliers d'années pour créer des tissus en soie avec un excellent drapé tout en paraissant lisses et sans couture. Pour les composites, cette drapabilité signifie qu'ils peuvent être facilement formés et enroulés autour de contours complexes. Puisque ce tissu est hautement formable, sa stabilité devrait être faible. Les tissages de satin à lisses courants comprennent le 4-satin à lisses (4HS), le 5-satin à lisses (5HS) et le 8-satin à lisses (8HS). À mesure que la quantité de tissage satiné augmente, la formabilité augmente tandis que la stabilité du tissu diminue.

4HS

5HS

8HS

Le nombre dans le nom du harnais Satin indique le nombre total de câbles qui passent. Pour 4HS, il passera par 3 traits puis sous 1 trait. Pour 5HS, il passera par 4 traits puis sous 1 trait, et pour 8HS, il passera par 7 traits puis sous 1 trait.

Remorquage étendu par rapport au remorquage standard
Les matériaux de remorquage étalés peuvent être un bon compromis entre l'utilisation de matériaux unidirectionnels et de matériaux tressés standards. Lorsque les brins de fibres sont tissés de haut en bas pour former un tissu, la résistance est réduite en raison du frisage des brins. Lorsque vous augmentez le nombre de filaments dans un câble standard (par exemple de 3k à 6k), le câble devient plus grand (plus épais) et l'angle de boucle devient plus rugueux. Une façon d'éviter cela est d'étaler les filaments en câbles plus larges, c'est ce qu'on appelle l'étalement des câbles, et cela présente plusieurs avantages.

L'étalement du câble fournit un angle de boucle plus petit que le tressage de câble standard et peut réduire les défauts de croisement en augmentant la douceur. Un angle de sertissage plus faible se traduira par une résistance plus élevée. Les matériaux d'étoupe étalés sont également plus faciles à travailler que les matériaux unidirectionnels et offrent toujours une assez bonne prévention de l'arrachement des fibres.

Déplier le tissage uni

Tissage sergé étoupé

unidirectionnel
Comme son nom l’indique, uni signifiant un, 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 ne contient aucune fibre entrelacée frisée qui affaiblirait la structure. En revanche, les fibres continues ajoutent résistance et rigidité. Un autre avantage est la possibilité de personnaliser la configuration avec un meilleur contrôle sur les caractéristiques de performance. Les cadres de vélo sont un excellent exemple de la manière dont les tissus UD peuvent être utilisés pour personnaliser les performances. La zone du boîtier de pédalier du cadre doit être rigide pour transférer la puissance du cycliste aux roues, mais le cadre doit également être flexible et flexible pour éviter de blesser le cycliste. Avec les matériaux UD, vous pouvez choisir la direction précise des fibres pour obtenir la résistance dont vous avez besoin.

Un inconvénient majeur de l’UD est sa maniabilité. L'UD peut facilement s'effondrer pendant la superposition car il n'a pas de fibres entrelacées pour le maintenir ensemble. Si les fibres sont mal placées, il est presque impossible de les rediriger correctement. Les pièces usinées en tissu UD peuvent également causer des problèmes. Si des fibres remontent à l'endroit où l'élément a été coupé, ces fibres lâches peuvent tirer la pièce entière vers le haut. Généralement, si un matériau UD est sélectionné pour le laminage, une couche de matériau tissé sera utilisée pour la première et la dernière couches afin d'améliorer la maniabilité et la durabilité de la pièce. Cela va des cadres de drones pour les amateurs jusqu'à la production de pièces de fusée.