Les composites à fibre de carbone : légers comme le plastique, solides comme l'acier
Des fils dix fois plus fins qu'un cheveu, noyés dans une résine : la fibre de carbone a conquis les avions de ligne, les vélos et les réservoirs d'hydrogène. Reste à apprendre à la recycler.
Un composite, c'est l'alliance de deux matériaux qui, ensemble, font mieux que chacun séparément. Le béton armé en est un exemple familier : le béton résiste à l'écrasement, l'acier à la traction. Les composites à fibre de carbone appliquent la même idée à l'échelle microscopique : des fibres très résistantes portent les efforts, une résine les maintient en place. Le résultat est un matériau à la fois léger et rigide, devenu incontournable partout où chaque kilogramme compte.
Des fibres et de la colle
Une fibre de carbone mesure de 5 à 10 micromètres de diamètre, soit une dizaine de fois moins qu'un cheveu. On la fabrique le plus souvent à partir d'un polymère, le polyacrylonitrile, filé puis chauffé en plusieurs étapes : d'abord vers 300 °C dans l'air pour le stabiliser, puis à très haute température, bien au-delà de 1 000 °C, à l'abri de l'oxygène. Il ne reste alors presque que des atomes de carbone, alignés en feuillets le long de la fibre, ce qui lui donne sa résistance exceptionnelle en traction. Plusieurs milliers de ces filaments sont rassemblés en mèches, puis tissés ou posés en nappes.
Seules, les fibres ne servent à rien : elles plient au moindre effort transverse. On les imprègne donc d'une matrice, le plus souvent une résine époxy, qui durcit en cuisant. La résine transmet les efforts d'une fibre à l'autre, protège l'ensemble et donne sa forme à la pièce. Toute la finesse est dans l'empilement : les fibres ne sont solides que dans leur direction, alors on superpose des couches orientées différemment pour que la pièce résiste là où elle sera sollicitée, et seulement là. C'est ce qu'on appelle un matériau anisotrope, dont on « dessine » les propriétés.
Dans les avions de ligne
L'aéronautique a été la grande école des composites. Ils ont d'abord servi à des gouvernes et à des carénages, puis à des structures entières. Selon Boeing, les composites représentent environ la moitié de la masse du 787. Airbus indique que l'A350 compte 53 % de polymère renforcé de fibre de carbone dans son fuselage, ses ailes et son empennage. Ces avions consomment nettement moins de carburant que la génération précédente ; le gain vient à la fois des matériaux, des moteurs et de l'aérodynamique. Les composites ont un autre atout : contrairement à l'aluminium, ils ne se corrodent pas et supportent bien la fatigue des cycles de vol.
Ils ont aussi leurs exigences. Une pièce composite se fabrique couche par couche, souvent cuite sous pression dans de grands fours. Et un choc peut abîmer l'intérieur d'un panneau, par décollement entre couches, sans laisser de trace bien visible en surface : les pièces sont donc inspectées avec des méthodes non destructives, comme les ultrasons.
Et sur Terre ? Des vélos aux réservoirs d'hydrogène
Les cadres de vélos de course, les raquettes, les cannes à pêche ou les voitures de compétition utilisent la fibre de carbone depuis longtemps. Mais l'usage le plus prometteur est peut-être le stockage de l'hydrogène. Les voitures à pile à combustible emportent leur hydrogène sous 700 bar, dans des réservoirs faits d'une enveloppe plastique étanche entourée d'un épais bobinage de fibre de carbone. Selon le département de l'Énergie des États-Unis, il faut environ 5 kg d'hydrogène pour parcourir près de 480 km, et la fibre de carbone représente plus de la moitié du coût de ces réservoirs : la rendre moins chère est un enjeu industriel majeur.
Dans le spatial, la NASA et Boeing ont testé en 2014 un réservoir composite de 5,5 m de diamètre rempli d'hydrogène liquide, à −253 °C. Par rapport aux meilleurs réservoirs métalliques, il promettait environ 30 % de masse et 25 % de coût en moins.
Le casse-tête du recyclage
Le point faible des composites est leur fin de vie. Les résines époxy sont des thermodurcissables : une fois cuites, elles ne fondent plus. On ne peut donc pas simplement refondre une pièce, comme on le fait avec l'aluminium, et la plus grande partie des déchets composites finit encore en décharge ou à l'incinération. Plusieurs voies de recyclage existent : broyage, dissolution chimique de la résine, ou pyrolyse, qui brûle la résine vers 450 °C sans oxygène pour récupérer les fibres. L'enjeu est considérable : selon les études compilées par Souppez et Pavar, produire une fibre neuve demande plusieurs centaines de mégajoules par kilogramme, une fibre recyclée environ dix à vingt fois moins.
Les fibres récupérées sont plus courtes et un peu moins régulières ; elles conviennent à des pièces moins exigeantes. Les chercheurs explorent aussi des résines recyclables ou capables de se réparer, des matrices thermoplastiques qu'on peut refondre, et même des parois qui referment seules un trou après un impact (voir la marche C-MAT-08). Le composite idéal sera peut-être celui qu'on aura conçu, dès le départ, pour être démonté.