La fibre de carbone remplace l’aluminium dans un nombre croissant d’applications, et ce depuis quelques décennies. Ces fibres sont connues pour leur résistance et leur rigidité exceptionnelles et sont également extrêmement légères. Les brins de fibre de carbone sont combinés avec diverses résines pour créer des matériaux composites. Ces matériaux composites profitent des propriétés de la fibre et de la résine. Cet article propose une comparaison des propriétés de la fibre de carbone par rapport à l'aluminium, ainsi que quelques avantages et inconvénients de chaque matériau.
Fibre de carbone vs aluminium mesuré
Ci-dessous les définitions des différentes propriétés utilisées pour comparer les deux matériaux :
Module d'élasticité = La « rigidité » d'un matériau. Le rapport contrainte/déformation pour un matériau. La pente de la courbe contrainte/déformation pour un matériau dans sa région élastique.
Résistance à la traction ultime = contrainte maximale qu'un matériau peut supporter avant de se briser.
Densité = la masse du matériau par unité de volume.
Rigidité spécifique = Module d'élasticité divisé par la densité du matériau. Utilisé pour comparer des matériaux avec des densités différentes.
Résistance à la traction spécifique = Résistance à la traction divisée par la densité du matériau.
En gardant ces informations à l’esprit, le tableau suivant compare la fibre de carbone et l’aluminium.
Remarque : De nombreux facteurs peuvent affecter ces chiffres. Ce sont des généralisations ; pas des mesures absolues. Par exemple, différents matériaux en fibre de carbone sont disponibles avec une rigidité ou une résistance plus élevée, souvent avec un compromis en termes de réduction d'autres propriétés.
| Mesures | Fibre de carbone | Aluminium | Carbone/Aluminium Comparaison |
| Module d'élasticité (E) GPa | 70 | 68,9 | 100% |
| Résistance à la traction (σ) MPa | 1035 | 450 | 230% |
| Densité (ρ) g/cm3 | 1.6 | 2.7 | 59% |
| Rigidité spécifique (E/ρ) | 43,8 | 25.6 | 171% |
| Résistance à la traction spécifique (σ /ρ) | 647 | 166 | 389% |
Ce graphique montre que la fibre de carbone a une résistance à la traction spécifique d'environ 3,8 fois celle de l'aluminium et une rigidité spécifique de 1,71 fois celle de l'aluminium.
Comparaison des propriétés thermiques de la fibre de carbone et de l'aluminium
Deux autres propriétés qui montrent les différences entre la fibre de carbone et l'aluminium sont la dilatation thermique et la conductivité thermique.
La dilatation thermique décrit la manière dont les dimensions d'un matériau changent lorsque les températures changent.
| Mesures | Fibre de carbone | Aluminium | Aluminium/Carbone Comparaison |
| Dilatation thermique | 2 po/po/°F | 13 po/po/°F | 6.5 |
L'aluminium a une dilatation thermique environ six fois supérieure à celle de la fibre de carbone.
Avantages et inconvénients
Lors de la conception de matériaux et de systèmes avancés, les ingénieurs doivent déterminer quelles propriétés des matériaux sont les plus importantes pour des applications spécifiques. Lorsqu’un rapport résistance/poids élevé ou un rapport rigidité/poids élevé sont importants, la fibre de carbone est le choix évident. En termes de conception structurelle, lorsqu’un poids supplémentaire pourrait raccourcir les cycles de vie ou conduire à de mauvaises performances, les concepteurs devraient se tourner vers la fibre de carbone comme meilleur matériau de construction. Lorsque la ténacité est essentielle, la fibre de carbone se combine facilement avec d’autres matériaux pour obtenir les caractéristiques nécessaires.
Les propriétés de faible dilatation thermique de la fibre de carbone constituent un avantage non négligeable lors de la création de produits nécessitant un haut degré de précision et une stabilité dimensionnelle dans des conditions de fluctuation des températures : dispositifs optiques, scanners 3D, télescopes, etc.
L’utilisation de la fibre de carbone présente également quelques inconvénients. La fibre de carbone ne cède pas. Sous charge, la fibre de carbone se pliera mais ne se conformera pas de manière permanente à la nouvelle forme (élastique). Une fois que la résistance à la traction ultime du matériau en fibre de carbone est dépassée, la fibre de carbone tombe soudainement en panne. Les ingénieurs doivent comprendre ce comportement et inclure des facteurs de sécurité pour en tenir compte lors de la conception des produits. Les pièces en fibre de carbone sont également beaucoup plus chères que l'aluminium en raison du coût élevé de production de la fibre de carbone et des grandes compétences et expériences nécessaires à la création de pièces composites de haute qualité.
Heure de publication : 24 juin 2021