La fibre de carbone et le titane sont les deux matériaux de prédilection des ingénieurs lorsque l'aluminium ne convient pas : trop lourd, trop flexible ou trop sensible à la fatigue. Tous deux sont onéreux et nécessitent une fabrication spécialisée. Leurs propriétés fondamentalement différentes font de chacun le choix idéal selon les situations. Voici un comparatif détaillé des dimensions essentielles pour les applications hautes performances.
Fibre de carbone ou titane : quelles sont les vraies différences ?
Le titane (généralement du Ti-6Al-4V) est un métal isotrope, conducteur d'électricité, soudable et dont le comportement en fatigue est bien connu. Le composite de fibres de carbone est anisotrope (ses propriétés dépendent de la direction des fibres) et est assemblé par collage. La densité du titane est de 4.43 g/cm³ contre 1.55 g/cm³ pour la fibre de carbone, soit près de trois fois plus lourd. Cependant, la résistance à la traction (900–3 1,000 MPa) et la rigidité (110 GPa) du titane sont uniformes dans toutes les directions, tandis que la fibre de carbone n'atteint ses meilleures propriétés que dans la direction des fibres.
Dimension 1 : Résistance et rigidité spécifiques
La résistance spécifique de la fibre de carbone (résistance/densité) est de 500 à 800 MPa/(g/cm³) contre 200 à 230 MPa/(g/cm³) pour le titane ; la fibre de carbone est donc 2.5 à 3.5 fois plus performante. Sa rigidité spécifique est de 25 à 35 GPa/(g/cm³) pour la fibre de carbone contre 25 GPa/(g/cm³) pour le titane ; les performances sont comparables, voire légèrement supérieures, dans une configuration quasi-isotrope. Point important : ces valeurs pour la fibre de carbone supposent une orientation optimale des fibres. Dans un état de contrainte 3D complexe, où les charges proviennent de plusieurs directions, l’isotropie du titane peut en faire le meilleur choix.
Dimension 2 : Tolérance à la fatigue et aux dommages
La fibre de carbone possède une durée de vie en fatigue quasi infinie tant que les contraintes maximales restent inférieures à 60-70 % de sa résistance ultime. Le titane, quant à lui, a une durée de vie en fatigue limitée. Pour les applications à cycles élevés (robotique, aéronautique, prothèses), l'insensibilité à la fatigue de la fibre de carbone est un atout majeur. Cependant, le titane absorbe l'énergie d'impact par déformation plastique ; la fibre de carbone peut subir un délaminage invisible suite à des impacts ne laissant aucune trace en surface. Pour les applications soumises à des contraintes importantes, la tolérance aux dommages du titane est donc préférable.
Dimension 3 : Coût et fabricabilité
Le lingot de titane coûte entre 30 et 50 $/kg ; les pièces finies coûtent entre 200 et 500 $/kg en raison de la lenteur de l'usinage. Le préimprégné de fibre de carbone coûte entre 40 et 90 $/kg ; les pièces finies, stratifiées manuellement, coûtent entre 150 et 400 $/kg. Pour les formes simples, l'usinage du titane peut s'avérer moins coûteux. Pour les structures intégrées complexes, la consolidation des pièces en fibre de carbone permet souvent de réduire le coût total du système.
Matrice de décision
| Exigence | Cadre en fibre de carbone | Titane |
|---|---|---|
| Réduction de poids maximale | Meilleur (1.55 g/cm³) | Bon (4.43 g/cm³) |
| Durée de vie en fatigue élevée (plus de 10 millions de cycles) | Excellent (infini) | Juste (durée de vie limitée) |
| Tolérance aux chocs et aux dommages | Équitable (dommages cachés) | Excellent (déformation plastique) |
| Haute température (> 150 °C) | Mauvais (limité par l'époxy) | Excellent (jusqu'à 400°C) |
| État de contrainte 3D complexe | Juste (anisotrope) | Excellent (isotrope) |
| Production en volume (>10K/an) | Bon (moulage) | Équitable (usinage lent) |
| Conductivité électrique nécessaire | Non (isolant) | Oui (chef d'orchestre) |
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