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L'ère du carbone |
Mais tout cela dépend surtout de la qualité des matériaux et des capacités techniques de mise en œuvre.
Ces derniers éléments sont déterminants dans l’évolution.
L’architecte, le constructeur, le navigateur feront tous les efforts nécessaires pour utiliser les techniques les plus performantes du moment.
Actuellement, les matériaux les plus performants disponibles sur le marché sont la fibre de carbone associée aux moyens de mise en œuvre qui permettent d’en obtenir la quintessence :
préimprégné
autoclave
procédé autostruct ®
sandwich Nomex ®
etc …
Dans les années qui viennent, les nouveaux avoins Airbus 380,
Aibus 350, Boeing 787 vont intégrer plus de 50 % de carbone.
Dans le même temps, les éoliennes, les nouvelles voitures,
les nouveaux voiliers vont intégrer également de plus en
plus de carbone.
Cela est nécessaire pour augmenter les performances et économiser
l’énergie.
On rentre industriellement dans l’ère
du carbone comme la terre est rentrée il y a 3 milliards d’année
dans l’ère du carbone avec l’apparition de la vie !
La place du carbone dans les atomes
Le carbone C
12 est l'atome le plus léger à 4 radicaux libres
donc 4 liaisons possibles.
C’est l’élément qui a le ratio - nombre
de liaison/poids atomique - le meilleur.
Le fait d’avoir 4 liaisons libres permet de faire une construction
spatiale en 3 dimensions.
C’est pour cette raison que le diamant est la matière la
plus solide.
C’est pour cette même raison que le carbone est la base de
la chimie organique et que la vie est construite autour de la chimie du
carbone.
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Le silicium Si
est l’élément suivant dans la colonne du Carbone.
Il a également 4 radicaux libres et donc 4 liaisons possibles.
Il est à la base d’une chimie de matériaux solides
: silice, verre, ciment.
Le silicium est beaucoup plus abondant sur terre que le carbone.
Le verre est facile à fabriquer donc coûte peu cher, la fibre
de verre également.
L'avenir à moyen terme est au carbone pour faire des structures légères et solides comme a su le faire la nature pour le bois.
Les fibres de carbone que l’on trouve sur le marché actuellement, à haute résistance ou à haut module (d’une structure proche du graphite) ont des résistances égales au meilleur acier, à diamètre égal mais sont 5 fois plus légères.
Dans un avenir plus
lointain, on verra apparaître d’une façon commerciale
des nanotubes, dérivés des fullérenes C 60 qui sont
d’une structure proche du diamant.
Ces nanotubes ont une résistance et une rigidité 50 fois
supérieure aux fibres de carbone courantes actuelles. Cela permettrait
de faire un câble qui relierait la terre à un satellite géostationnaire.
Il pourrait se déplacer sur ce câble un ascenseur qui rejoindrait
la station spatiale.
Cela reste un rêve …
Comment obtient-on la fibre de carbone ?
La fibre de carbone
est une chaîne d’atomes de carbone.
On peut l’obtenir actuellement de 2 façons :
1. A partir du PAN : Poly Acrylique Nitrile
c’est un polymère de synthèse obtenu à partir du pétrole.
Il est appelé Précurseur.n
Ce PAN est brûlé dans un four avec une atmosphère neutre pour faire partir les autres éléments de la chaîne.
Suivant le processus de cuisson, on obtient des fibres à haute résistance ou à haut module
2. A partir du BRAI (goudron)
Le fil obtenu actuellement a un module très élevé mais une résistance et un allongement à la rupture beaucoup plus faible que celui obtenu à partir du PAN
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Tableau des différends types de carbone
| Les
fibres à haute résistance et à
module intermédiaire ont des allongements
à la rupture entre 1,8 et 2,1 %. Ces fibres sont adaptées à un usage courant où on a besoin de beaucoup d’allongement et une bonne résistance aux chocs |
Coque
de bateau pont de bateau pièces de travail variées |
| Les fibres à haut module sont adaptées pour des pièces qui ont peu de déformation ou qui ont besoin de résister au flambage | panneaux
de satellite |
L’intérêt du stratifié de carbone.
La fibre de carbone est relativement légère, densité
: 1,7 – 1,8.
Elle est noyée dans une matrice qui a une densité de 1,2.
L’ensemble a une densité de 1,5 – 1,55.
Une plaque de ce stratifié
de carbone en monolithique est 2 fois plus légère qu’une
plaque de stratifié fibre de verre-polyester, à résistance
et rigidité égales.
Par exemple, un plaque de fibre de verre de 8 mm d’épaisseur
et de 1m2 pèse 15 Kg. Elle a la même rigidité et la
même résistance en flexion qu’une plaque de carbone
HR (haute résistance) de 1m2 de 5 mm d’épaisseur qui
pèse 7,5 Kg.
Mise en œuvre du stratifié carbone
1
- A la main
On peut stratifier le carbone à la main en voie humide mais :
- Il est difficile d’éliminer les bulles
- Les epoxys sont relativement dangereux à manier
- Il y a beaucoup d’aléas sur la quantité de résine
et sur les capacités humaines de la mise en œuvre
2 - Préimprégné
On peut fabriquer
des préimprégnés dans un laminoir où on mélange
le tissu et la résine. Les quantités de résine et
de tissu sont déterminées en proportion fixe.
Cet ensemble est maintenu au frais en attendant son utilisation.
Ces tissus sont ensuite superposés dans les moules en orientant
les fibres suivant les besoins.
Ils sont compactés avec du vide pour éliminer toutes les
bulles, toutes les 2 à 4 couches.
La polymérisation ensuite est obtenue
- soit par la chaleur
- soit par des ultra sons ou des infra ondes,
tout en maintenant
la pression sur la pièce
- avec le vide
- avec des pressions supplémentaires en autoclave
- avec des presses.
Ce travail demande
toute une chaîne industrielle :
Fabrication des moules – fabrication du préimprégné
– découpe du préimprégné – mise
en place – autoclave – détourage – vérification
Donc un investissement industriel important
3 – L’enroulement filamentaire
Sur une pièce
mâle on enroule des fibres préimprégnées ou
non..
Actuellement, cela limite l’usage à des pièces simples
de forme proche d'une pièce de révolution : mâts,
mèches de gouvernail, réservoirs.
4 – Infusion et injection
Dans des moules sont
entassés des tissus secs.
On ferme le moule
soit avec une bâche (infusion)
soit avec un autre moule (injection)
on fait le vide dans le moule, on fait pénétrer la résine de façon à ce qu’elle se répartisse sur toute la pièce avant qu’elle ait eu le temps de se polymériser.
L’intérêt et handicap du carbone
par rapport aux autres matériaux.
Intérêt
Résistance élevée
Bonne compatibilité avec la résine
Bonne résistance à la fatigue
Légèreté
Capacité à orienter les fibres suivant les besoins
Handicap
Difficulté d’orienter les fibres comme il faut, cela demande un prévision de calcul importante, et une capacité de mise en œuvre et de contrôle importante.
Son prix
Les installations qu’il faut déployer.
La place du carbone dans le bateau
Vu son prix, sa haute capacité de résistance et son faible poids, on utilisera le carbone en fonction de l’importance de l’apport.
| mâts
courants |
fibre haute résistance |
| mâts évolués travaillant surtout en compression |
fibre de haut module |
| mèche
de gouvernail voiles de lest |
fibre de module intermédiaire |
| bateaux
de haute performance pont et coque |
fibre à haute résistance |
Jean Marie Finot, le 22 juin 2005
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