LES FIBRES DE CARBONE
Lorsqu’on parle de fibres de carbone on désigne généralement un matériau composite renforcé de fibres de carbone. La fibre de carbone renforce une matrice de résine époxy, polyester ou phénolique pour former un composite.
Histoire
La production de fibres de carbone à partir de mono-filaments de polymères (méthode PAN) telle qu’utilisée en horlogerie a été brevetée en 1963. L’industrialisation de pièces en carbone débute dès 1970. Les coûts de production élevés limitent leur usage aux domaines de l’aérospatiale et de l’aéronautique. Les coûts de production baissant permettent aux fibres de carbone de se démocratiser dès 1990. C’est à la fin de cette même décennie que les fibres de carbone seront présentes dans l’ensemble des composants d’habillage d’une montre. Puis, dix ans plus tard, on connaitra les premiers éléments de mouvement (platines et ponts) réalisés dans ce matériau.
Synthèse des fibres
La synthèse des fibres de carbone servant de renfort aux matériaux composites est obtenue à choix à partir de mono-filaments de polymères (PAN), d’hydrocarbures (pétrole, charbon) ou de celluloses. En horlogerie c’est la méthode PAN qui est généralement utilisée. Différentes étapes chimiques et thermiques (pyrolyses) permettent d’éliminer les autres atomes que le carbone (carbonisation à environ 1500°C), voire d’ajouter des atomes de carbone (graphitisation) afin d’obtenir des filaments ayant une teneur en carbone supérieure à 90%.
Tissage de la toile
Les filaments d’un diamètre compris entre 5 et 10 micromètres sont ensuite tissés afin de former une toile. Par l’orientation des fibres de carbone dans la toile tissée, on pourra favoriser, la résistance de la pièce à fabriquer selon des axes précis (longitudinaux, latéraux, de torsion).
Application de la matrice et durcissement en four autoclave
La plupart des objets fabriqués en fibres de carbone sont directement formés sur un moule préalablement fabriqué. On découpe la toile de fibre de carbone aux dimensions du moule selon une orientation choisie de la trame afin d’optimiser la résistance de la pièce selon des axes précis. La toile est soigneusement appliquée à la surface du moule et enduite de résine. Plusieurs couches peuvent se superposer. Le durcissement du composite se fait dans un four autoclave à une température pouvant s’élever à 250°C et à des pressions allant jusqu’à 1,5MPa (15 bar). Pour les composants horlogers, le moulage direct des pièces ne permettrait pas d’atteindre le niveau de précision requis par l’industrie. On réalise donc par moulage en autoclave des blocs (selon le même procédé que décrit précédemment) qui seront ensuite usinés afin d’obtenir la précision et les tolérances requises en horlogerie. On rencontre fréquemment d’autres éléments de renforcement dans les composites de fibres de carbone (p. exemple des fibres d’aramide) afin d’en améliorer encore les propriétés.
Usinage
L’usinage des blocs de fibres de carbone peut comporter les opérations habituelles : tournage, fraisage, perçage. Les matériaux des outils utilisés pour l’usinage de la fibre de carbone comprennent la céramique, le carbure cémenté, le diamant polycristallin et le nitrure de bore cubique. Par sa faible conductivité thermique, le carbone retient la chaleur et ne la diffuse que très peu à l’outil. Cependant, une chaleur trop élevée peu altérer la résine de la matrice et compromettre ainsi les propriétés de la matière. L’usinage de la fibre de carbone nécessite donc des temps d’usinage étendus, d’autant plus qu’elle ne supporte généralement pas de liquide de refroidissement. Une fois le composant terminé, diverses opérations de finitions sont possibles : ébavurage, polissage, pose d’un verni mat ou brillant etc.
Propriétés des fibres de carbone
Les fibres de carbone sous forme de composite sont légères, elles résistent très bien à la traction et à la compression et sont souples. Elles disposent d’une grande résitance à la propagation d’une fissure (ténacité) et d’une excellente résistance à l’abrasion et à la corrosion. De plus, les fibres de carbone ont un très faible coefficient de dilatation thermique. Le module d’élasticité des fibres de carbone est variable selon le tressage de la fibre et la nature de la matrice, il demeure cependant toujours élevé. De ce fait les composants en fibres de carbone résistent bien à la déformation mais peuvent se briser au-delà d’une certaine contrainte (déformation ou impact).
Applications horlogères
Les fibres de carbones sont appréciées dans la fabrication de l’ensemble des composants d’habillage (boites, bracelets, cadrans ). De façon très anecdotique, on peut les utiliser pour fabriquer des platines et des ponts, bien que dans ce cas, le carbone forgé soit souvent privilégié.