Pourquoi la fibre de carbone est-elle intrinsèquement faible ? Ou l'est-elle ?

La fibre de carbone n'est pas nécessairement un matériau “faible” ou “fragile”. Si vous aviez un tube de même diamètre et de même épaisseur de CF typique qu'un tube de cadre en acier typique, ce tube de CF serait extrêmement solide et durable.

Les métaux comme l'acier et l'aluminium sont des matériaux isotropes. Cela signifie que leurs propriétés mécaniques sont identiques dans toutes les directions. Si vous avez un cube d'acier, il réagira de la même manière quelle que soit la direction dans laquelle vous le tirez ou le poussez.

La fibre de carbone est un matériau composite. Elle est constituée de tonnes de petits paquets de fibres maintenus ensemble par un époxy.

Un bloc d'acier est, en fait, comme de l'acier, mais la fibre de carbone est comme un gros paquet de pailles collées ensemble. Dans un sens, il est extrêmement solide, mais si vous le poussez ou le tirez sur le côté, il s'effondre. Dans cette seule dimension où elle est forte, elle est beaucoup plus résistante que l'acier. Mais dans d'autres directions, elle est plutôt fragile.

Les ingénieurs ont donc pu exploiter ces propriétés dans les cadres de vélo. Dans un cadre de bicyclette, la grande, très grande majorité des forces s'exercent principalement dans une seule dimension. Ils peuvent fabriquer des tubes plus fins et plus légers tout en conservant la résistance et la rigidité souhaitées.

Ainsi, il n'y a aucune raison mécanique pour laquelle vous ne pourriez pas construire un vélo de tourisme entièrement chargé ou quelque chose comme un Salsa Fargo avec un cadre en carbone, et il pourrait être tout aussi solide et durable. Et il serait probablement plus léger qu'un cadre en acier ou en aluminium. Mais si cela n'est pas fait, c'est à cause du marché. La fibre de carbone est un matériau coûteux et difficile à travailler, et ses propriétés mécaniques sont les mieux adaptées lorsque vous exigez des applications très légères.

Lorsque vous construisez un vélo à cadre en acier, lorsque vous obtenez des tubes suffisamment résistants sur leur longueur, qu'en raison des propriétés isotropes de l'acier, vous obtenez la force latérale gratuitement, la force de résister aux chocs, aux collisions, etc.

Dans un cadre en fibre de carbone, vous n'obtenez pas la force dans les autres dimensions, à moins que vous ne choisissiez de le concevoir. Dans le cas des vélos en fibre de carbone, où le poids est une préoccupation importante, la décision technique a été prise de ne pas rendre les cadres résistants dans ces domaines. Ils pourraient le faire, mais ils choisissent de ne pas le faire parce que ce n'est pas nécessaire pour l'usage auquel le vélo est destiné.

Lorsque vous construisez un vélo lourdement chargé, vous perdez beaucoup des avantages des fibres de carbone, et il serait donc beaucoup plus économique d'utiliser de l'acier ou de l'aluminium. Surtout lorsque le fait de jeter quelques bouteilles d'eau remplies dans votre sacoche dépasse presque les économies de poids.

Tout d'abord, un avertissement : la plupart de ce que je sais sur la fabrication de la fibre de carbone vient des avions, et non des vélos. Notez également que la fibre de carbone n'est pas le seul composite qui est utilisé – juste pour une alternative, les fibres de Kevlar peuvent être utiles aussi (le Kevlar est plus fort, mais aussi plus flexible que le carbone).

La fibre de carbone est forte, mais ne répond pas bien aux contraintes point. Cela est dû en grande partie au fait qu'il s'agit essentiellement de tissu (tissé à partir de fibres de carbone). Si vous mettez beaucoup de stress en un seul point, vous ne mettez ce stress que sur quelques-unes de ces fibres de carbone. Alors que les fibres elles-mêmes sont extrêmement solides (pour leur poids), la liaison qui maintient les fibres individuelles ensemble est beaucoup plus faible. Pour comparer, pensez à la bande d'emballage qui a des fibres de verre sur toute sa longueur. La fibre de verre elle-même est très solide, mais la bande de plastique et de “goo” qui les maintient ensemble est beaucoup plus faible. Bien que les détails diffèrent, la même idée générale s'applique également à la fibre de carbone.

La résistance exacte dépend également de la direction. Comme je l'ai dit plus haut, la fibre de carbone est au départ un fil qui est tissé dans un tissu. Le tissu est ensuite imprégné d'une sorte d'époxy (l'époxy exacte utilisée varie selon l'application), placé dans un moule, mis sous vide1, puis cuit pour durcir l'époxy. Le tissu peut être tissé de différentes manières, certaines avec la même quantité de fibre de carbone dans chaque sens, d'autres avec (disons) 80% de la fibre de carbone dans un sens et seulement 20% dans l'autre. A première vue, la plupart des FC utilisées dans un cadre de vélo sont probablement plus proches de cette dernière variété, avec la plupart des fils courant sur la longueur d'un tube, et beaucoup moins sur la circonférence du tube.

Tant qu'on y est : le carbone est aussi environ deux fois plus résistant à l'étirement qu'à la compression. Vous aurez généralement deux fois plus de plis où il est principalement soumis à une charge de compression.

1 L'ensachage sous vide signifie qu'un grand sac en plastique est placé autour du moule et de la toile, et que l'air est aspiré. La pression de l'air à l'extérieur maintient les couches de tissu serrées ensemble pour (essayer de) s'assurer que lorsqu'elles sont cuites, elles agissent comme une seule couche, et non comme des couches séparées. Cela a peu d'effet sur la résistance lorsqu'elle est soumise à l'étirement, mais un effet énorme lorsqu'elle est soumise à la compression ou à la flexion.

La fibre de carbone est un matériau très solide, mais comme tout matériau, elle fait certaines choses mieux que d'autres. Tiré de Wikipedia :

La fibre de carbone est très résistante lorsqu'elle est étirée ou pliée, mais faible lorsqu'elle est comprimée ou exposée à des chocs importants (par exemple, une barre en fibre de carbone est extrêmement difficile à plier, mais se fend facilement si elle est frappée avec un marteau).

Considérant qu'un cadre en fibre de carbone peut supporter le poids d'un coureur plus toutes les forces qu'un coureur ajoute (qui peuvent dépasser plusieurs fois son poids corporel), il n'est en aucun cas faible. Tout cela pour un poids inférieur à celui d'un cadre comparable en aluminium ou en acier.

Mais certains types de forces – comme les chocs violents – peuvent endommager les fibres et l'époxy affaiblit le matériau, ce qui est moins probable avec un métal. Et une petite pince peut écraser un tube CF, si la force est suffisante (vous pouvez aussi le faire avec un tube en aluminium à paroi mince, mais cela demande plus d'efforts).

Je pense qu'il est également utile de souligner que si la fibre de carbone peut être posée pour être très solide, elle n'est pas du tout ductile, comme l'acier ou (dans une moindre mesure) l'aluminium. Vous pouvez faire une bosse de bonne taille dans un cadre métallique et le ramener chez vous, mais si vous faites une bosse dans la fibre de carbone, vous avez probablement compromis l'ensemble du tube au point de ne pas pouvoir le monter. Il est juste beaucoup plus fragile, donc la déformation signifie la rupture, alors que dans les métaux, cela signifie généralement que quelque chose est étiré ou comprimé, ce qui nuit comparativement moins à l'intégrité structurelle.

Un peu tard pour la fête, mais voici mon penny : comme indiqué ci-dessus, une méthode de fabrication courante des cadres CF consiste à “superposer” plusieurs couches de fibres imprégnées de résine d'orientations différentes pour optimiser les caractéristiques de résistance en fonction des charges prévues et des performances requises du cadre (par exemple, rigide contre souple/flexible). En ce sens, la CF peut être adaptée plus précisément à un ensemble d'exigences pour le poids le plus léger. Comme pour tout problème d'ingénierie, il y a des compromis. Chaque couche est essentiellement bidimensionnelle (pensez aux axes x et y pour une feuille plane), la troisième dimension, l'épaisseur (pensez à l'axe z) est juste l'accumulation de couches de fibres mais n'a pas de force de fibre en soi, seulement la force de la matrice de résine qui maintient toutes les fibres ensemble. C'est donc à travers l'épaisseur du matériau que les structures composites CF sont les plus faibles. Et un mode de défaillance commun est connu sous le nom de délamination (la liaison entre les couches se rompt). Cela peut se produire à la suite d'un coup porté à la surface et toute délamination à l'intérieur des couches ne sera pas visible de l'extérieur. Seul le balayage peut détecter l'étendue des dommages - la méthode de faible technicité consiste à tapoter la surface et à écouter les changements de ton des tapotements - elle nécessite une oreille entraînée et il est moins évident pour le profane de faire la différence entre un changement de ton dû à une délamination et, disons, un changement dans la couche sous-jacente (couches extrinsèques près des joints, etc…).

La délamination est le point faible des cadres CF et c'est pourquoi, à mon avis, ils peuvent être décrits comme “forts” mais PAS “résistants” ou “résilients aux dommages”. En effet, tout coup de vieux pourrait mettre en péril la solidité du cadre et entraîner une défaillance soudaine et catastrophique. Le métal, en revanche, cède progressivement en cas de surcharge, de sorte qu'une défaillance soudaine (si elle est correctement conçue) a moins de chances de se produire.

La grande question pour moi a donc toujours été : si je m'écrase sur un vélo CF, comment saurai-je que la renommée a encore une intégrité structurelle.

Je parle en tant que cycliste et ingénieur qui s'est spécialisé au début de ma carrière dans les matériaux composites et collés. La réponse au risque de délaminage réside dans les matériaux composites où les fibres sont aussi dans la dimension z (épaisseur). On peut y parvenir grâce à des structures de fibres “tricotées” où les fibres relient / bloquent les couches ensemble - la fibre sèche “tricotée” est alors maintenue dans un moule et de la résine liquide est injectée et durcie. Pour autant que je sache, aucun fabricant n'utilise encore cette technique (coûteuse - de type budget militaire/aérospatial). Ils continuent avec la méthode traditionnelle d'empilage de fibres pré-imprégnées. Certains fabricants parlent de “tisser des fibres ensemble” d'un tube à l'autre dans un cadre de vélo, mais je ne pense pas qu'il s'agisse du “tricotage” à travers les couches d'une technique de fabrication plus avancée.

Je ne connais pas tous les détails, mais je sais que la fibre de carbone a tendance à être solide et flexible dans certaines directions, et pas très solide dans d'autres. Ainsi, lorsque vous construisez un cadre à partir de cette fibre, vous pouvez l'aligner de manière à ce qu'il soit flexible et qu'il absorbe les chocs de la manière dont les cadres sont censés fonctionner, mais si vous lui appliquez une pression incorrecte (par exemple, en le faisant tomber sur le côté d'une courbe en béton), il peut se fissurer.

Mais, comme l'a peut-être montré ma question précédente , je ne suis pas vraiment sûr :)