Qui parmi les aficionados du cyclisme et des virées en vélo n’a pas entendu parler de la fibre de carbone ? Elle est omniprésente dans l’actualité vélo et elle fait couler beaucoup d’encres, que ce soit sur les blogs amateurs ou les sites spécialisées. Bref, la fibre de carbone est un sujet incontournable et nous avions envie de passer en revue ses réels avantages.
La fibre de carbone concurrence l’aluminium et l’acier dans la fabrication des cadres de vélo (du moins joue-t-elle le rôle de l’outsider haut-de-gamme). Beaucoup se contentent d’y voir un matériau innovant, cher et doté de propriétés spéciales et un peu énigmatiques… sans toutefois chercher à comprendre sa vraie valeur ajoutée.
Voyons en détail ce qu’apporte la fibre de carbone par rapport à l’aluminium et l’acier. Vous saurez ainsi si elle répond vraiment à vos besoins.
Sommaire
La fibre de carbone : caractéristiques et méthode de fabrication
La fibre de carbone est un matériau composé inorganique de la famille des polymères, des macromolécules légères et isolantes (elles jouent le rôle d’isolants électriques et thermiques). Comme le plastique, la fibre de carbone s’obtient après un long processus de fabrication : le poly-acrylonitrile (PAN) est mélangé à des composés tels que l’acrylate de méthyle.
Pour former les filaments qui caractérisent la fibre de carbone, il faut étirer le PAN pour qu’il soit parallèle à la fibre. On oxyde ensuite le PAN en ajoutant de l’oxygène, ce qui donne une structure hexagonale. C’est suite à cette étape que la fibre revêt sa couleur noire si caractéristique.
Les filaments de carbone mesurent entre 5 et 12 micromètres. Pour vous faire une idée, sachez qu’un tel filament est plus fin qu’un cheveu humain. Ces filaments sont ensuite combinés à des polymères thermodurcissables tels que la résine époxy (de la famille des poly-époxydes), le polyester ou le vinylester (VE).
En raison de la structure amorphe de la fibre de carbone, sa configuration est irrégulière et ses feuilles se distinguent par leur résistance. La combinaison par superposition avec la résine permet d’obtenir des propriétés mécaniques distinctes tout en formant un anticorrosif fort, cohérent, indéformable, en forme de X, qui supporte la compression.
Le produit final est une sorte de tissu noir avec un design distinctif très léger et très malléable, qui a complètement révolutionné la fabrication de pièces dans diverses industries. Le vélo n’a pas échappé à cette innovation radicale : cadres et accessoires sont maintenant disponibles en fibre de carbone.
Coût de fabrication de la fibre de carbone
La fibre de carbone coûte cher car sa fabrication est complexe et quasiment « artisanale ». On l’utilise pour construire les vélos de course professionnels et des produits haut-de-gamme. Une baisse conséquente des prix sera envisageable à moyen et long terme, quand les industries auront réduit son coût de fabrication. La fibre de carbone sera alors à la portée de tous. L’aluminium reste l’une des options les plus économiques et les plus répandues.
La fibre de carbone : plus légère et plus résistante
La fibre de carbone est moins dense que l’acier ou l’aluminium, plus résistante à la pression mécanique et à la corrosion. Plus isolante, elle résiste mieux au feu et freine la conduction électrique.
Aujourd’hui omniprésente, son histoire remonte au XIXème siècle, quand l’inventeur Thomas Edison et ses équipes commencèrent à explorer les propriétés des filaments de carbone. Edison utilisa une méthode de carbonisation pour former des filaments de cellulose : ces filaments ont permis la fabrication des filaments de carbone que l’on retrouve dans les lampes fluorescentes.
Il fallut ensuite attendre les années 60 pour que l’Union Carbide industrialise ces filaments de carbone. En 1966, les industriels obtinrent des fibres de PAN formées à partir de carbone, de pétrole et de résine. La fibre de carbone actuelle est le fruit des efforts conjugués des industriels américains, japonais et anglais.
Très tôt, l’industrie aérospatiale s’est intéressée de près à la fibre de carbone, mais c’est l’industrie automobile qui en a tiré le plus grand parti : voitures de Formule 1 à châssis monocoque, tableaux de bord, toits de voiture citadines, carrosserie, cardans, axes, vilebrequins… pour ne citer que quelques applications notables.
La rigidité et la résistance des vélos en fibre de carbone
Les résines thermodurcissables de la fibre de carbone la rendent plus rigides que l’acier ou l’aluminium. La fibre de carbone est 8 à 10 fois plus résistante que l’aluminium ou l’acier. Les sportifs de haut niveau et les amateurs de VTT extrême en savent quelque chose (même si le gros du marché est accaparé par l’aluminium et l’acier).
La résistance à la traction de l’acier est de 600 MPa contre 3600 MPa pour la fibre de carbone. Cette résistance ne cesse d’augmenter au fur et à mesure qu’on incorpore des nanotechnologies innovantes à la fibre de carbone. Pas étonnant que l’industrie du vélo se soit littéralement ruée sur la fibre de carbone.
Pour lui donner la forme désirée, on utilise des moules dans lesquels on verse la résine. On fait ensuite sécher cette résine pour obtenir le cadre voulu. Cette technique rappelle d’ailleurs la méthode de fabrication de la fibre de verre.
Des couches de fibre de carbone sont assemblées dans toutes les directions pour absorber n’importe quel choc, quel que soit la zone d’impact. Cet aspect « tissu tressé » se voit clairement sur la plupart des cadres de vélo, en particulier chez les fabricants les plus réputés ; c’est une sorte de signature (malheureusement, cette signature est objet de contrefaçons). Ce travail artisanal justifie aussi le prix final du produit : il faut un grand savoir-faire et de la finesse pour élaborer un cadre de fibre de carbone aussi esthétique que robuste.
Le poids de la fibre de carbone
La légèreté de la fibre de carbone n’a pas son pareil : c’est une des deux grandes caractéristiques de cette fibre et l’une des principales raisons pour lesquelles l’industrie du vélo l’a adoptée.
Grâce à la fibre de carbone, les avions sont plus légers, ainsi que les bateaux et les véhicules, sans pour autant être moins robustes.
La fibre de carbone est 4 à 5 fois moins denses que l’acier : la légèreté qui en résulte est flagrante. Une poutre d’un mètre pèse au moins 12 kg si elle est construite en acier, contre 2 kg maximum si elle est élaborée en fibres de carbone.
En conséquence, les vélos en fibre de carbone ont une élasticité, une légèreté, un design et un aérodynamisme sans équivalent. En Formule 1, les coups d’accélération, la vitesse dans les virages et les collisions seraient inenvisageables sans la fibre de carbone.
Design et esthétisme
Ce qui saute aux yeux à la vue d’un cadre en fibre de carbone, c’est son look ! L’œil perçoit tout de suite qu’il a affaire à un matériau noble, élégant et incomparable à l’acier ou à l’aluminium (aussi nobles soient-ils !). La fibre de carbone est plus malléable ce qui a donné à l’industrie du vélo un regain de créativité.
La fibre peut être apposée en plaques, sous forme brute ou courte, afin de créer les différentes parties du vélo : cadres, pédales, guidons… Tout au long du processus de fabrication, on constate que l’automatisation est moindre et que l’artisan s’attarde sur chaque pièce. L’utilisation de la fibre est en quelques sortes plus « artisanale », moins industrielle. Seule la découpe de la plaque initiale – celle à partir de laquelle on crée toutes les pièces – est gérée informatiquement.
Le démoulage, la peinture et le nettoyage de la fibre de carbone obéissent eux-aussi à des règles strictes. Il faut là encore une grande dextérité et une connaissance parfaite du matériau. Les malfaçons sont vite arrivées, pour une erreur d’inattention ou un geste précipité. On parle véritablement d’un travail d’orfèvre.
La fibre de carbone peut se réparer en cas de dommage dans sa structure. Mais cette réparation nécessite l’intervention d’un expert et les « rafistolages » ne sont pas recommandables (même si vous trouvez un super tuto sur YouTube !). Il faut alors découper la pièce endommagée, mettre une nouvelle pièce durcie et poncée.
Absorption des chocs
La fibre est un matériel composite, à la fois rigide et élastique, conçu pour résister aux chocs. Certes. Mais un doute demeure : la fibre de carbone absorbe-t-elle si bien l’impact et ses propriétés sont-elles si irréprochables ?
A ses débuts, la fibre de carbone était mélangée à des composés d’aluminium… et elle était sensible à la corrosion galvanique et à l’exposition aux UV ; plutôt embarrassant pour un produit dont tout le monde disait le plus grand bien !
Mais l’ingénierie des matériaux aidant, ces erreurs de jeunesse ont vite été solutionnées. Les cadres de vélos en fibre de carbone peuvent maintenant durer des années sans altération aucune. A tel point que si vous en prenez grand soin (et en général, le cycliste en prend soin étant donné le prix du produit), votre vélo en fibre de carbone vous accompagnera à vie. Des innovations incrémentales ont aussi renforcé la résine à l’origine de la fibre de carbone.
La FDC dans un vélo
Les cadres en fibres de carbone se retrouvent dans toutes les grandes familles de vélo : urbains, vélos de course, mountain bikes, cyclocross, cross-country… en particulier dans les vélos soumis aux conditions extrêmes (froid, chaleur, vent, pluie, neige). Les performances de la fibre de carbone en font un produit haut-de-gamme même s’il se démocratise chaque jour un peu plus.
Malgré tous ses atouts, la fibre de carbone a encore du chemin à faire : l’aluminium et l’acier restent pour la majorité d’entre nous des options de premiers choix. Vous trouverez d’excellents rapports qualité/prix sur le segment des vélos en aluminium et/ou acier.
Mise en garde : le modèle de fibres tressées peut s’imiter. Prenez donc garde aux contrefaçons si vous optez pour la fibre de carbone. Faites notamment attention au poids : les falsifications sont toujours plus lourdes que l’authentique fibre de carbone.
En conclusion…
La fibre de carbone a un bel avenir devant elle : progrès technique, innovations et combinaisons (notamment avec le Kevlar PPD-T) donneront à la fibre de carbone des propriétés sans précédent dans l’histoire des matériaux de construction.
3 axes d’amélioration
- Rendre la fibre de carbone 100% recyclable.
- Automatiser sa production
- Baisser tous les coûts de production pour démocratiser la fibre de carbone
L’avenir du vélo sera-t-il 100% fibre de carbone ?
Certes non ! L’acier et l’aluminium ont fait leur preuve sur tous les segments du marché : des vélos de course aux VTC, en passant par les VTT et les vélos pliants électriques. Avant d’acheter un vélo en fibre de carbone, identifiez vos besoins : En ferez-vous un usage sportif dans le cadre d’une compétition ? Avez-vous le budget nécessaire ? Avez-vous vraiment besoin d’un modèle ultraléger ? Recherchez-vous du sur-mesure ou un design unique ? Voilà le genre de questions qui orientera et confirmera votre choix.
Nous espérons vous avoir aidé à mieux cerner les avantages de la fibre de carbone. Si vous avez déjà un vélo en fibre de carbone, n’hésitez pas à nous faire part de votre expérience en commentaire !
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