Une explication approfondie de la technologie et du processus de fabrication des cadres en fibre de carbone

On peut dire que le vélo est véritablement entré dans l’ère de la fibre de carbone. Même si je n'ose pas dire qu'ils sont de haute qualité et bon marché, ils sont déjà beaucoup moins chers qu'il y a dix ans. Cependant, cela n’affecte pas le prix de vente de ces vélos en fibre de carbone qui se positionnent comme haut de gamme. Parmi les différentes marques de vélos, les fabricants aiment toujours utiliser des descriptions vagues ou des termes haut de gamme pour présenter leurs matériaux en fibre de carbone et leurs processus de fabrication. Mais si vous pouvez creuser un peu plus, vous constaterez que les choses dont ils parlent et dont ils font la promotion sont en réalité des choses très similaires. Cependant, les images obtenues sont néanmoins diverses.

Dans les cadres de vélo en fibre de carbone , une conception plus détaillée, des tests, une sélection correcte des matériaux, la manière de les poser, la garantie de la cohérence de la fabrication, etc., font tous des différences entre les différentes marques et modèles, y compris le prix.

Alors, comment la fibre de carbone devient-elle un cadre étape par étape ? Quelles technologies et méthodes seront utilisées dans le processus de fabrication ? Quels sont les problèmes que nous continuons à mal comprendre ? Si tout le monde utilise les mêmes matériaux, pourquoi un cadre est-il meilleur qu’un autre ?

Fabriquer de la fibre de carbone

Des matières premières à l'acrylonitrile

Pour commencer à fabriquer de la fibre de carbone, les fabricants utilisent de l'ammoniac et du propane et les mélangent dans une réaction chimique. Ces deux composés sont naturels : l’ammoniac se trouve, entre autres, dans vos pipi, et le propane se trouve dans les combustibles fossiles et le gaz naturel. Le résultat lorsque vous combinez ces deux éléments est un liquide appelé acrylonitrile, qui est l’élément constitutif de la fibre de carbone.

De l'acrylonitrile au polyacrylonitrile

L'étape suivante consiste à faire réagir le liquide avec lui-même à l'aide d'une réaction chimique appelée polymérisation radicalaire. Pour ce faire, vous ajoutez une très petite quantité d’un catalyseur appelé initiateur, qui fait que toutes les molécules individuelles d’acrylonitrile se collent les unes aux autres en de longues chaînes.

Pensez à chaque molécule d’acrylonitrile comme à une personne ivre lors d’une fête de mariage. L'initiateur chimique spécial est comme cet oncle ivre ennuyeux qui initie une ligne de conga. Un par un, les gens se joignent et la chaîne des personnes (molécules) s'allonge de plus en plus. Ces longues chaînes d’acrylonitrile forment désormais un polymère appelé polyacrylonitrile – poly signifie plusieurs – et c’est ainsi que sont fabriquées 90 % de la fibre de carbone que nous connaissons et aimons.

La méthode alternative : goudron de houille et brai

Une partie des 10 % restants est fabriquée selon un procédé utilisant du goudron de houille et du brai. Il s'agit d'une méthode de production plus coûteuse qui donne des fibres très rigides avec un coefficient de dilatation thermique très faible, ce qui signifie qu'elles ne changent pas de taille lorsqu'elles sont exposées à différentes températures. Mais ce carbone n’est pas vraiment important pour nous. Il est utilisé dans les vaisseaux spatiaux, pas dans les vélos.

En s'en tenant brièvement à cette analogie avec les congas, des additifs peuvent être ajoutés dans les lignes de congas afin de modifier les propriétés matérielles de ces brins d'acrylonitrile. Cela dépend de l'objectif final de la fibre de carbone fabriquée : que ce soit pour les vélos, les trains ou autre. Bien sûr, il s’agit d’une simplification excessive d’un processus complexe, mais j’espère que vous comprenez l’idée.

Réticuler les fibres

Les chaînes en polyacrylonitrile (ou les minuscules lignes de conga, si c'est plus facile) sont ensuite étirées en fibres ou en brins et enroulées sur de grosses bobines. Ils sont ensuite étalés dans un four et chauffés en présence d'oxygène à environ 200 ou 300°C afin de les oxyder. Il s’agit d’une partie très importante du processus, car elle crée des liaisons croisées entre les chaînes de polyacrylonitrile.

Pour en revenir à mon analogie de conga préférée, ce qui se passe, c'est que vous obtenez plusieurs lignes de conga et que vous les alignez les unes à côté des autres en parallèle, puis vous les faites se donner la main, reliant ces lignes ensemble, et cela le rend vraiment très fort. Un sac de transport est fabriqué à partir de carbone, un peu comme la fibre de carbone, mais il est fabriqué à partir de polyéthylène qui ne subit pas cette réticulation. En conséquence, il est fort dans une direction mais se déchirera dans une autre. En réticulant les fibres, cela augmente la densité des fibres et rend la fibre de carbone vraiment résistante.

Carbonisation

La partie suivante du processus est appelée carbonisation. Les fabricants prennent les brins de fibre de carbone et les chauffent à 1 000°C ou plus sans présence d'oxygène. Le manque d’oxygène empêche les fibres de brûler et fait vibrer les brins de carbone. Cette vibration rompt les liaisons chimiques avec les atomes non carbonés, qui sont ensuite libérés, et renforce les liaisons entre les brins de carbone. Les scientifiques ne savent pas réellement pourquoi cela se produit, mais ils savent que cela fonctionne. Le processus de chauffage améliore la structure cristalline du carbone, produisant essentiellement des brins de graphite.

Carbone haut ou bas module

Ce qui est intéressant à propos de la carbonisation, c'est qu'elle détermine en grande partie le module de la fibre de carbone. Plus la cuisson est longue et plus la température est élevée, plus les atomes non carbonés sont expulsés du matériau. Avec cela, les brins perdent du poids et du volume, vous laissant une fibre de carbone plus pure. Plus il est pur, plus le module est élevé. Les fibres de carbone à module plus élevé sont plus rigides, mais elles sont plus chères car elles nécessitent plus de temps au four et des températures plus élevées. C'est donc de cela dont parlent les fabricants de vélos lorsqu'ils parlent de fibre de carbone à haut et faible module dans leurs cadres de vélo.

Ajout de résine

Avoir des fibres de carbone seules n'est pas génial. Ils sont extrêmement solides et ont une résistance élevée à la traction, mais ils sont également assez fragiles. C'est là qu'intervient la résine, ou, comme on l'appelle techniquement, la matrice (vous n'avez cependant pas besoin de prendre la pilule rouge pour la voir).

La fibre de carbone est un matériau composite, qui est une combinaison de deux ou plusieurs matériaux. En combinant différentes choses, vous pouvez combiner leurs propriétés physiques et créer un nouveau super matériau. Un bon exemple de matériau composite est le béton armé. Les fils d'acier sont entourés d'une matrice de béton, ce qui les rend beaucoup plus résistants que de simples fils d'acier seuls ou du béton standard. La fibre de carbone est à peu près la même chose, mais à plus petite échelle. Vous avez les fils en fibre de carbone entourés de résine, qui forment ensemble la matrice.

Ce processus n’est pas non plus très simple. Tout d'abord, ils doivent rendre rugueuse la surface des fibres de carbone, tout comme vous le feriez pour rendre rugueuse la surface d'une chambre à air avant de coller un patch. Pour la fibre de carbone, ils le font généralement en faisant glisser les brins dans des bains d'acide nitrique. Une fois la surface de la fibre rendue rugueuse, un revêtement spécial appelé ensimage est appliqué. Cela protège les fibres afin qu’elles puissent être manipulées et traitées plus facilement plus tard.

Ajout de la résine

À ce stade, une partie de la fibre de carbone est enroulée sur de grosses bobines, mais la majeure partie est tissée en feuilles et envoyée à des préimprégnateurs, qui appliquent une résine sur la matrice. Les résines qu'ils utilisent sont des secrets bien gardés et différentes résines sont utilisées en fonction de l'utilisation prévue de la fibre de carbone. Pour l’industrie du vélo, on utilise principalement des résines époxy. Les préimprégnés imprègnent de résine les feuilles de carbone, puis les enroulent et les envoient aux fabricants de vélos.

Une fois qu'ils ont mis la main dessus, les fabricants de vélos le découpent dans les formes dont ils ont besoin pour fabriquer des vélos et commencent à superposer et à mouler leurs cadres.

La méthode alternative : les tissages sur mesure

La fibre de carbone envoyée en bobine est utilisée par des fabricants spécialisés comme Time et Lightweight. Ils tissent ou enroulent des filaments de fibre de carbone en interne, ils prennent donc des brins de fibre de carbone sans résine, puis ils les tissent dans la forme qu'ils souhaitent. Et au fur et à mesure du processus de tissage, ils appliquent également de la résine. Selon Lightweight, cela leur permet d'être plus efficaces avec la résine, ce qui signifie essentiellement qu'ils en utilisent moins et obtiennent un poids inférieur. Comme vous pouvez l’imaginer, c’est plus cher.

Où c'est fait

Compte tenu de l’ampleur de la fibre de carbone, il existe étonnamment peu de fabricants dans le monde. La société japonaise Toray, de loin la plus importante, est basée à Tokyo. Il existe également Hexel basé à Stamford, dans le Connecticut, Mitsubishi à Sacramento, en Californie et SGL Carbon basé à Wiesbaden, en Allemagne, entre autres.

L'avenir de la fibre de carbone

Les scientifiques des matériaux sont toujours à la recherche de résines et de fibres plus performantes et de toute amélioration progressive de la fibre de carbone. En ce qui concerne les grandes avancées, l’idée la plus intéressante consiste à former des fibres de carbone à partir de nanotubes de carbone. Considérez-les comme des feuilles de graphite enroulées dans des tubes. Elles sont beaucoup plus résistantes que les fibres à base de casseroles que nous utilisons actuellement. En fait, si vous en fabriquiez votre vélo, il serait à l'épreuve des balles. Si vous en fabriquiez un t-shirt, il serait à l'épreuve des balles. Selon les scientifiques, on pourrait même en faire un ascenseur spatial, ils sont si puissants. Le problème est que nous n'avons pas encore développé un moyen rentable et évolutif à grande échelle de les fabriquer en grand volume et dans une grande taille qui puisse réellement être physiquement tissé ou tissé en objets.

Les scientifiques étudient également des moyens de rendre la fabrication de fibres de carbone plus écologique. Actuellement, de nombreux produits chimiques nocifs sont impliqués, comme l’ammoniac et le propane. Les gens recherchent des précurseurs biologiques qui pourraient fonctionner, comme la lignine, une fibre présente dans des plantes comme le céleri.

Enfin, de nombreux travaux sont menés pour trouver un moyen de recycler la fibre de carbone. Actuellement, il s’agit plutôt d’un usage unique, bien que certaines entreprises trouvent des moyens d’utiliser la fibre de carbone hachée comme filament pour imprimante 3D. Il s’agit peut-être du matériau miracle actuel, mais il existe encore de nombreuses façons d’améliorer la fabrication et l’utilisation de la fibre de carbone.