La pultrusion de fibres de carbone s'effectue à une vitesse de 100 à 300 mm/min avec une fraction volumique de fibres de 60 à 70 %, soit environ le double de la teneur en verre obtenue par stratification manuelle. En contrepartie, un câble de carbone 12K coûte entre 20 et 30 $/kg contre 2 à 4 $/kg pour un roving de verre E, et l'usure de la filière est 3 à 5 fois plus importante pour le carbone, du fait de l'abrasivité des fibres. On ne choisit pas la pultrusion de fibres de carbone par simple facilité ; on la privilégie lorsque la pièce requiert une résistance à la traction de 1 200 à 1 800 MPa pour une densité inférieure à 1.6 g/cm³, ou lorsque le coefficient de dilatation thermique (CTE) doit correspondre à celui de l'acier à 1 ou 2 ppm/°C près pour les assemblages collés.
Pultrusion carbone vs. pultrusion verre : principales différences de paramètres
| Paramètre | Pultrusion de fibre de carbone | Pultrusion de fibres de verre |
|---|---|---|
| Fraction volumique des fibres | 60 to 70 % | 45 to 55 % |
| Résistance à la traction (longitudinale) | 1,200-1,800 MPa | 400-800 MPa |
| Module de traction | GPU 120-160 | GPU 35-45 |
| CTE (longitudinale) | -0.5 à +0.5 ppm/°C | 8-12 ppm/°C |
| Densité | 1.5 à 1.6 g / cm³ | 1.9 à 2.1 g / cm³ |
| Conductivité électrique | Conductivité (10³-10⁴ S/m) | Isolant (>10¹² Ω·cm) |
| taux d'usure de la matrice | 3 à 5 fois la valeur de référence | 1X ligne de base |
| Viscosité de la résine (imprégnation) | 200-500 XNUMX CP | 300-800 XNUMX CP |
| vitesse de traction typique | 100-300 mm / min | 300-800 mm / min |
Choix de la résine : le premier choix crucial
La résine vinylester domine la pultrusion du carbone, représentant 80 à 90 % du volume de production. Sa faible viscosité (200 à 400 cP à 25 °C) permet une imprégnation complète des mèches de carbone 12K à 50K à un volume de fibres de 60 à 70 %, sans nécessiter d'imprégnation à haute température. L'époxy offre une résistance au cisaillement interlaminaire supérieure de 15 à 25 % (65 à 75 MPa contre 50 à 60 MPa pour la résine vinylester) et une meilleure résistance à la fatigue, mais requiert des bains de résine chauffés (40 à 60 °C) et des temps de séjour plus longs dans la filière. L'écart de coût est significatif : résine époxy à 8-15 $/kg contre 4-7 $/kg pour la résine vinylester ; multiplié par une teneur en résine de 30 à 40 %, cela représente un surcoût de 2.50 à 4.50 $/kg pour le profilé fini.
Profil de température de la filière pour la pultrusion de carbone
La fibre de carbone conduit la chaleur 10 à 15 fois plus vite que le verre (10 à 15 W/m·K axial contre 1.0 à 1.3 W/m·K). Ceci modifie fondamentalement le profil de température de la filière. Pour une filière de 900 mm de diamètre et de 8 mm d'épaisseur de paroi, fonctionnant à 250 mm/min, le profil recommandé est le suivant : zone 1 (entrée, 150 premiers millimètres) à 100-110 °C – plus froide que pour le verre afin d'éviter la formation de pellicules sur la paroi de la filière ; zone 2 (300 mm centraux) à 130-140 °C pour la gélification ; zone 3 (450 mm de sortie) à 160-170 °C pour la polymérisation finale. Une erreur fréquente consiste à utiliser un profil de température de pultrusion pour verre sur de la fibre de carbone. Il en résulte des cloques en surface, dues à la montée en température du front exothermique plus rapide que le gradient de température de la filière.
Le suivi de la force de traction comme indicateur de qualité
Les forces de traction pour la pultrusion de fibres de carbone sont 30 à 50 % supérieures à celles des profilés en verre équivalents — généralement de 15 à 25 kN pour une bande plate de 50 mm × 6 mm contre 8 à 12 kN pour le verre. Cependant, la valeur absolue importe moins que sa variation. Une force de traction oscillant de ±3 kN sur une période de 30 secondes indique un mouillage irrégulier ou une tension de fibre inégale. Une augmentation constante de 1 à 2 kN sur 2 heures signale un encrassement de la filière, nécessitant un nettoyage. Les lignes de pultrusion modernes enregistrent la force de traction à 1 Hz ; l’écart type sur un poste de production doit rester inférieur à 10 % de la moyenne. Une tendance à la hausse ? Vérifiez l’état de la surface intérieure de la filière et la compatibilité du dimensionnement des fibres.
Questions fréquemment posées
Est-il possible de pultruder simultanément de la fibre de carbone et de la fibre de verre dans un même profilé ?
Oui, la pultrusion hybride utilise des mèches de carbone dans les ailes (où le module de traction est primordial) et du verre dans l'âme (où la résistance au cisaillement est prépondérante). La différence de coefficient de dilatation thermique entre le carbone (-0.5 ppm/°C) et le verre (10 ppm/°C) engendre des contraintes internes lors du refroidissement, susceptibles de provoquer des microfissures si la transition entre les deux types de fibres est trop abrupte. L'insertion d'un fin voile de verre entre les couches de carbone et de verre réduit cette concentration de contraintes de 40 à 60 %.
Quel est le rayon de courbure minimal réalisable avec des profilés en carbone pultrudé ?
La pultrusion rectiligne ne produit que des sections transversales constantes. Pour les profils courbes, la pultrusion à rayon de courbure (ou pultrusion courbe) utilise une filière courbe et un étirage différentiel pour obtenir des rayons de courbure aussi faibles que 300 à 500 mm pour des sections minces (3 à 5 mm). Ce procédé fonctionne à des vitesses réduites (50 à 150 mm/min) et nécessite une conception de filière spécifique, mais il permet de produire des pièces courbes finies sans post-formage.
Pourquoi les profilés en carbone pultrudé présentent-ils parfois des vides en surface ?
Les vides de surface (1 à 5 mm de diamètre, peu profonds) sont presque toujours causés par des composés volatils piégés à la paroi de la filière — soit l'humidité provenant de fibres insuffisamment séchées (< 0.1 % d'humidité requise), soit l'ébullition du styrène provenant de l'ester vinyle à des températures de filière supérieures à 175 °C. Réduisez la température de la zone 1 de 5 à 10 °C et vérifiez les conditions de stockage des fibres (< 30 % HR).
Quels traitements ultérieurs peuvent être appliqués aux profilés en carbone pultrudé ?
Le carbone pultrudé peut être coupé, percé et collé. Le perçage nécessite des forets en carbure ou diamantés à une vitesse de 3 000 à 5 000 tr/min avec une faible pression d'avance afin d'éviter le délaminage en sortie. Le collage par adhésif méthacrylate ou époxy permet d'atteindre une résistance au cisaillement de 15 à 25 MPa après une préparation de surface adéquate (léger ponçage et nettoyage au solvant). La fixation mécanique par boulonnage est possible, mais réduit la capacité de charge de 30 à 50 % au niveau du trou en raison de la concentration des contraintes.
Pour une comparaison avec les méthodes de stratification humide, consultez notre Guide comparatif des préimprégnés et des techniques de stratification humidePour plus d'informations sur la sélection des matériaux, consultez notre Comparaison entre la fibre de carbone et l'aluminiumRéférences du secteur : CompositesMonde et ACMA normes de pultrusion.
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Normes et références
Les normes industrielles suivantes sont mentionnées dans cet article :
