Plastique à renfort fibre de carbone - Définition

Introduction

Le plastique à renfort fibre de carbone ou PRFC (en anglais Carbon Fiber Reinforced Plastic ou CFRP) est un matériau composite très 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 appelé plus simplement fibre de verre, le CFRP prend la dénomination usuelle de fibre de carbone. La matrice généralement 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 également employés, bien que peu usités.

On lui trouve de nombreuses applications dans les domaines de l’aéronautique et de l’automobile, dans la fabrication de bateaux, mais aussi dans la réalisation de vélos modernes. L’amélioration des procédés de mise en forme du composite a considérablement réduit les coûts et le temps de fabrication, permettant de 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 couramment appelés 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 très 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 également passer dans un autoclave, car la moindre bulle d’air dans le matériau peut réduire sa résistance globale.

Processus de fabrication

Le processus de fabrication des pièces en PRFC varie 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 appelée « wet layup » : les deux composants de la résine sont mélangés avant d’être appliqués sur le moule et placés sous vide. La seconde est une méthode d’injection de résine : le tissu et le moule sont placés 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), généralement 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, l’ensemble 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.