Le plastique à renfort fibre de carbone ou PRFC (en anglais Carbon Fiber Reinforced Plastic ou CFRP) est un matériau composite particulièrement résistant et léger. Son prix reste à l'heure actuelle assez élevé. De la même manière que le composite plastique à renfort fibre de verre est nommé plus simplement fibre de verre, le CFRP prend l'expression usuelle de fibre de carbone. La matrice le plus souvent utilisée dans la fabrication du composite est une résine époxyde ; on peut aussi employer le polyester, le vinylester ou le nylon. Certains types de composite intègrent, en plus des fibres de carbone, d'autres fibres de renfort : kevlar, aluminium ou fibre de verre. Les termes de plastique à renfort graphite, ou plastique à renfort fibre graphite (Graphite Fiber Reinforced Plastic ou GFRP) sont aussi employés, quoique peu usités.

On lui trouve de nombreuses applications dans les domaines de l'aéronautique et de l'automobile, dans la fabrication de bateaux, mais également dans la réalisation de vélos modernes. Le perfectionnement des procédés de mise en forme du composite a énormément diminué les coûts et le temps de fabrication, servant à l'utiliser dans des objets de grande consommation : ordinateurs portables, trépieds, cannes à pêche, cadres de raquettes de tennis, corps d'instruments de musique, cordes de guitare classique, matériel de paintball, etc.

Composite

Les matériaux comprenant une matrice et un renfort sont fréquemment nommés matériaux composites. Le choix de la matrice peut avoir un grand impact sur les propriétés finales du matériau. Une des méthodes utilisées pour produire des pièces en graphite-époxy consiste à appliquer des couches de fibre de carbone tissées dans un moule ayant la forme de la pièce définitive. L'orientation et le tissage des fibres sont choisis dans l'optique d'optimiser la résistance et la rigidité du matériau. Le moule est ensuite rempli de résine époxyde, puis chauffé, ou laissé à l'air libre. Les pièces produites sont particulièrement résistantes à la corrosion, rigides, et offrent des propriétés mécaniques remarquables malgré leur masse réduite. Pour des pièces utilisées dans des secteurs peu critiques, on peut utiliser un préimprégné (les fibres de carbone sont préimprégnées par la résine époxyde) ou étaler directement la résine époxyde sur les fibres. Pour les secteurs critiques, les moules sont enveloppés dans des sacs étanches, puis le vide est créé. Les pièces peuvent aussi passer dans un autoclave, car la moindre bulle d'air dans le matériau peut diminuer sa résistance globale.

Processus de fabrication

Le processus de fabrication des pièces en PRFC fluctue suivant le type de pièce, l'état de surface requis, et la quantité à produire.

Pour des pièces en production limitée (1 à 2 pièces par jour), un sac à vide peut être employé. Un moule en fibre de verre ou en aluminium est poli, enduit de cire, et un agent de démoulage est appliqué sur la surface, avant la mise en place du tissu et de la résine. Il existe deux méthodes pour appliquer la résine dans un moule sous vide. La première est nommée «wet layup» : les deux composants de la résine sont mélangés avant d'être appliqués sur le moule et positionnés sous vide. La seconde est une méthode d'injection de résine : le tissu et le moule sont positionnés dans le sac étanche. Le vide produit à l'intérieur du sac aspire la résine le long d'un petit tube percé et la répand uniformément sur la matrice.

Une méthode plus rapide consiste à utiliser un moule de compression. Il se décompose en deux parties (mâle et femelle), le plus souvent réalisées en fibre de verre ou en aluminium. Les deux parties sont boulonnées, avec, entre les deux, la résine et le tissu de fibres de carbone. L'avantage est qu'une fois boulonné, la totalité peut être déplacé ou stocké sans création de vide, et ce bien après le durcissement de la pièce. Cependant le moule requiert du matériel pour maintenir les deux parties du moule jointes.

La plupart des pièces en PRFC sont réalisées avec une seule couche de fibre de carbone, complétée par de la fibre de verre. Dans ce cas, l'utilisation d'un pistolet de projection simultanée est conseillée. Le pistolet est un outil pneumatique qui découpe de la fibre de verre provenant d'une bobine et qui pulvérise la résine en même temps. La résine est soit mélangée en externe (le durcisseur et la résine sont projetés séparément) ou en interne, ce qui implique un nettoyage systématique du pistolet après chaque utilisation.

Pour les pièces complexes à réaliser (comme les tubes), on utilise un bobineur de fibres.

Usage automobile

Le PRFC est particulièrement utilisé en compétition automobile. Le coût élevé de la fibre de carbone est compensé par le rapport exceptionnel résistance mécanique / masse, la masse qui est un critère essentiel dans ce domaine. Les constructeurs ont développé des méthodes pour rigidifier les pièces en fibre de carbone selon une direction précise, celle du chargement reconnu. Inversement, des tissus de fibre de carbone omnidirectionnels ont aussi été développés, servant à retrouver les mêmes propriétés mécaniques quelle que soit la direction de l'effort. Ce type de tissu est le plus souvent utilisé pour la fabrication de cellule de survie pour les châssis monocoques.

Ces dernières décennies, plusieurs «supercars» ont intégré massivement le PRFC, surtout pour les éléments de carrosserie, et d'autres composants.

Jusqu'à il y a peu de temps, ce matériau entrait rarement dans la fabrication de voitures de série, ceci essentiellement à cause du surcoût entraîné par l'achat de nouveaux équipements et par le manque de personnes qualifiées dans ce domaine. Actuellement, plusieurs grands constructeurs se mettent à adopter le PFRC pour la voiture de monsieur n'importe qui.

L'usage de ce matériau fut plus rapidement adopté par des petits constructeurs, l'utilisant à la place de la fibre de verre pour la fabrication des panneaux de carrosserie sur certains de leurs modèles haut de gamme. Le but fut de diminuer la masse tout en augmentant la résistance mécanique.

Les amateurs de courses de rue, ou de tuning remplacent le plus souvent leur capot, leur déflecteur ou certains éléments de la carrosserie par leur équivalent en PFRC. Cependant, ces pièces sont rarement faites à 100 % de fibre de carbone. Le plus souvent, une simple couche de fibre de carbone est stratifiée sur de la fibre de verre, pour donner l'aspect «carbone».

Usage dans le génie civil

Ces vingt dernières années, le PFRC a pris une place prépondérante dans les applications d'ingénierie des structures. Etudié dans un contexte académique pour les bénéfices potentiels qu'il pourrait apporter au domaine de la construction, il s'est révélé être une solution économiquement viable dans de nombreux secteurs : renforcement du béton, maçonnerie, structures en acier et en bois. Il est le plus souvent utilisé de deux façons : soit en ajout pour renforcer une structure existante, soit dès le début d'un projet en alternative à l'acier comme matériau de précontrainte.

L'ajout en renfort pour des structures existantes demeure son utilisation principale en génie civil, que ce soit pour augmenter la capacité en chargement d'anciennes structures (comme les ponts) conçues à l'époque pour des contraintes moindres, pour perfectionner le comportement face aux activités sismiques, ou pour la réparation de bâtiments endommagés. Le critère économique explique le succès de cette méthode : renforcer une structure défaillante coûte nettement moins cher que le remplacement total de la structure. Grâce à sa grande rigidité, il est parfois utilisé sous les portées de ponts pour éviter les déformations excessives, ou entouré autour de poutres pour limiter les contraintes de cisaillement.

Utilisé à la place de l'acier, le PRFC sous forme de barres vient renforcer les structures en béton (béton armé). D'une façon plus générale il est utilisé comme matériau de précontrainte à cause de sa rigidité et de son module d'élasticité élevés. Les avantages du PRFC sur l'acier comme matériau de précontrainte sont une masse réduite et la résistance à la corrosion, ce qui autorise des applications spéciales, en environnement marin par exemple.

Le PRFC est plus coûteux que les matériaux composites aussi employés dans l'industrie du bâtiment, comme les polymères à renfort fibre de verre (GFRP : Glass Fibre Reinforced Polymer) et les polymères à renfort fibre aramide (AFRP : Aramid Fibre Reinforced Polymer), quoiqu'il soit reconnu comme ayant des propriétés supérieures.

Des recherches sont effectuées sur l'emploi du PRFC en ajout ou à la place de l'acier, comme matériau de renfort ou de précontrainte. Le coût reste un problème majeur, et les questions de tenue sur le long terme demeurent. Certaines de ces questions touchent à la fragilité du matériau, qui contraste avec la ductilité de l'acier. Quoique des codes de conception aient été établis par des organismes tels que l'American Concrete Institute, il reste cependant des interrogations au sein des ingénieurs pour l'implantation de ces matériaux alternatifs. Ceci est essentiellement dû au manque de normalisation ainsi qu'aux brevets posés sur les combinaisons fibre/résine. Cela représente cependant un avantage, car les propriétés mécaniques du matériau peuvent être adaptées sur mesure aux exigences d'une application donnée.

Autres usages

Le PRFC est particulièrement utilisé pour les équipements sportifs haut de gamme tels les vélos de course. A résistance mécanique égale, un cadre en fibre de carbone est plus léger qu'un cadre en tubes d'aluminium ou d'acier. Le tissage des fibres doit être choisi de façon à obtenir la plus grande rigidité. La diversité des formes pouvant être obtenues grâce à la fibre de carbone a ouvert la voie à des recherches aérodynamiques dans le profil des tubes. Les cadres, fourches, guidons, et pédales en PRFC deviennent de plus en plus courants sur les vélos de moyen et haut de gamme. Malgré les avantages intrinsèques du matériau, on reporte des cas de rupture brutale de certains éléments, provoquant de graves accidents. On utilise aussi la fibre de carbone pour les raquettes de tennis, les cannes à pêche, et les coques d'avirons.

Une grande partie du fuselage du nouveau Bœing 787 Dreamliner se compose de PRFC, le rendant plus léger qu'un fuselage semblable en aluminium, avec l'avantage de diminuer les inspections de maintenance grâce à une résistance à la fatigue accrue.

On retrouve la fibre de carbone dans certains équipements audio haut de gamme, comme les platines ou les haut-parleurs.

Il est aussi utilisé dans de nombreux instruments de musique : archets de violon, corps de violoncelles, tuyaux mélodiques de cornemuse (en remplacement de l'ébène), sifflets ou encore didgeridoos.

Dans les armes à feu, il est un bon substitut au métal, au bois ou à la fibre de verre dans certaines parties pour diminuer le poids global. Son usage reste cependant limité au corps externe de l'arme, les parties internes étant toujours fabriquées à partir d'alliages métalliques.

Recyclage

Les plastiques à renfort fibre de carbone ont un cycle de service quasi-illimité. Mais lorsqu'il devient indispensable de les recycler, ils ne peuvent être refondus comme les métaux ou comme certains plastiques. À l'heure actuelle, la meilleure méthode consiste à les broyer pour récupérer la fibre de carbone. Cette opération réduit de manière significative la longueur des fibres. Comme pour le papier recyclé, l'utilisation de fibres de carbone raccourcies entraîne une baisse des caractéristiques mécaniques du produit fini comparé au produit original. Mais dans certains secteurs industriels, cette baisse n'a pas d'importance. A titre d'exemple, on retrouve du PFRC recyclé dans les ordinateurs portables, où il vient renforcer les éléments en plastique, même si sa résistance mécanique est inférieure à un PFRC utilisé en aéronautique.

Annexes

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