Les composites en fibre de carbone sont des matériaux renforcés de fibres de carbone, composés de résine, de métal, de céramique et d'autres matrices. Grâce à leur légèreté, leur haute résistance et leur résistance aux températures élevées, ils ont été largement utilisés ces dernières années dans l'aérospatiale, les sports et loisirs, le train à grande vitesse, l'automobile et le génie civil. Leurs excellentes résistances à la fatigue et à la corrosion, ainsi que leurs excellentes performances de construction, les rendent adaptés aux applications marines exigeant des propriétés spécifiques. À surveiller. Ces dernières années, les composites en fibre de carbone ont joué un rôle croissant dans la construction navale, le développement de l'énergie offshore et la réparation navale.
1.Application à bord
Les composites en fibre de carbone présentent un avantage naturel par rapport aux matériaux de construction navale traditionnels. Premièrement, ils présentent de bonnes propriétés mécaniques. La coque est fabriquée avec légèreté et faible consommation de carburant. Le procédé de construction est relativement simple, le cycle de fabrication est court et le moulage est pratique, ce qui réduit considérablement les coûts de construction et de maintenance par rapport aux navires en acier. De plus, l'interface entre la fibre de carbone et la matrice de résine empêche efficacement la propagation des fissures, ce qui confère au matériau une bonne résistance à la fatigue. De plus, grâce à l'inertie chimique de la surface en fibre de carbone, la coque est difficile à épiphyter et résistante à la corrosion, ce qui est également important pour la construction navale. C'est l'un des facteurs les plus importants dans le choix des matériaux. Par conséquent, les composites en fibre de carbone présentent des avantages uniques en termes de performances globales dans la construction navale et sont désormais largement utilisés dans ce domaine. Parallèlement, le développement de l'industrie de la fibre de carbone a été favorisé par l'élargissement de ses domaines d'application.
1.1Navires militaires
Les composites en fibre de carbone présentent de bonnes propriétés acoustiques, magnétiques et électriques : transparents, perméables au son et amagnétiques, ils peuvent être utilisés pour améliorer la furtivité des navires de guerre. L'utilisation de matériaux composites dans la superstructure du navire permet non seulement de réduire le poids de la coque, mais aussi de transmettre et de recevoir des ondes électromagnétiques à une fréquence prédéterminée en protégeant la couche sélective de fréquence intégrée à l'intercalaire des ondes électromagnétiques radar ennemies. Par exemple, le croiseur de classe « Skjöld » construit par la marine norvégienne en 1999 utilisait un composite sandwich composé d'une couche centrale en mousse de polychlorure de vinyle, de fibres de verre et d'une couche intermédiaire en fibre de carbone. Cette conception améliore non seulement le rapport résistance/poids, mais offre également une bonne résistance aux chocs. Ces performances améliorent également considérablement les caractéristiques de faible champ magnétique, de balayage anti-infrarouge et anti-radar. Les frégates suédoises de classe Visby, mises en service en 2000, utilisent toutes des matériaux composites en fibre de carbone, qui offrent des fonctions spécifiques de réduction de poids et de double furtivité radar et infrarouge.
L'utilisation de mâts composites renforcés de fibres de carbone sur les navires s'est progressivement développée. Le navire LPD-17, mis en service aux États-Unis en 2006, utilise un mât composite avancé en fibre de carbone et âme en balsa. Contrairement au mât ouvert d'origine, le LPD-17 utilise un nouveau système de détection/mât entièrement fermé (AEM/S). La partie supérieure de ce mât composite en fibre de carbone recouvre un matériau de surface sélectif en fréquence (FSS), laissant passer les ondes d'une fréquence spécifique, tandis que la moitié inférieure peut réfléchir les ondes radar ou être absorbée par des matériaux absorbants. Il offre ainsi d'excellentes fonctions de furtivité et de détection radar. De plus, diverses antennes et équipements associés sont intégrés uniformément dans la structure, ce qui la rend résistante à la corrosion et facilite sa maintenance. La marine européenne a développé un mât de détection intégré similaire, fabriqué en fibre de verre nanofibrée et renforcé de fibre de carbone. Il permet aux différents faisceaux radar et signaux de communication de passer sans perturbation, avec des pertes extrêmement faibles. En 2006, ce mât ATM de technologie avancée a été utilisé sur le porte-avions « Royal Ark » de la marine britannique.
Les composites en fibre de carbone peuvent également être utilisés dans d'autres aspects des navires. Par exemple, ils peuvent être utilisés comme hélice et comme arbre de propulsion afin d'atténuer les vibrations et le bruit de la coque. Ils sont principalement utilisés sur les navires de reconnaissance et les navires de croisière rapides. Ils peuvent également servir de gouvernail pour les machines et équipements, certains dispositifs mécaniques spéciaux et les systèmes de tuyauterie. De plus, les cordages en fibre de carbone haute résistance sont également largement utilisés dans les câbles des navires de guerre et autres équipements militaires.
1.2Yachts civils
Les grands yachts sont généralement privés et coûteux, exigeant légèreté, résistance et durabilité élevées. Les composites en fibre de carbone peuvent être utilisés pour les cadrans et antennes des instruments de bord, les gouvernails et les structures renforcées telles que les ponts, les cabines et les cloisons. Les yachts composites traditionnels sont principalement fabriqués en PRFV, mais en raison d'une rigidité insuffisante, la coque est souvent trop lourde une fois les exigences de conception remplies. De plus, la fibre de verre est cancérigène et progressivement interdite à l'étranger. La proportion de composites en fibre de carbone utilisée dans les yachts composites actuels a considérablement augmenté, et certains ont même utilisé des composites en fibre de carbone. Par exemple, la coque et le pont du super-yacht Panama de Baltic sont recouverts d'un revêtement en fibre de carbone/résine époxy, d'un nid d'abeille Nomex et d'une âme en mousse structurelle CorecellTM. La coque mesure 60 m de long, mais son poids total n'est que de 210 t. Le Sunreef 80 Levante, catamaran en fibre de carbone construit par le constructeur polonais Sunreef Yachts, utilise des composites sandwich en résine vinylester, de la mousse PVC et des composites en fibre de carbone. Les bômes du mât sont en composites de fibre de carbone sur mesure, et seule une partie de la coque est en PRV. Son poids à vide est de seulement 45 tonnes. Il allie vitesse élevée, faible consommation de carburant et excellentes performances.
Le yacht « Zhongke·Lianya », construit en 2014, est actuellement le seul yacht entièrement en fibre de carbone en Chine. Ce yacht écologique est fabriqué à partir d'un mélange de fibre de carbone et de résine époxy. Il est 30 % plus léger que le même type de yacht en fibre de verre et offre une plus grande résistance, une vitesse supérieure et une consommation de carburant réduite.
De plus, les câbles du yacht utilisent des cordages en fibre de carbone haute résistance pour garantir la sécurité. La fibre de carbone ayant un module de traction supérieur à celui de l'acier et une résistance à la traction plusieurs fois supérieure, voire dix fois supérieure, et possédant les propriétés de tissage de la fibre, le cordage en fibre de carbone est utilisé comme matériau de base, remplaçant ainsi les câbles en acier et en polymère organique. Insuffisant.
2. Application au développement de l'énergie marine
2.1 Champs pétroliers et gaziers sous-marins
Ces dernières années, les matériaux composites en fibre de carbone se sont largement répandus dans le domaine de l'exploitation pétrolière et gazière marine. La corrosion en milieu marin, le cisaillement important et le fort cisaillement causé par l'écoulement sous-marin de l'eau imposent des exigences strictes en matière de résistance à la corrosion, de solidité et de fatigue du matériau. Les composites en fibre de carbone présentent des avantages évidents en termes de légèreté, de durabilité et de résistance à la corrosion pour l'exploitation des champs pétroliers offshore : une plateforme de forage à 1 500 m de profondeur est équipée d'un câble en acier d'une masse d'environ 6 500 t, tandis que la densité du composite en fibre de carbone est celle de l'acier ordinaire. L'utilisation d'un composite en fibre de carbone pour remplacer une partie de l'acier permet de réduire considérablement la capacité de charge de la plateforme de forage et de réduire les coûts de construction. Le mouvement alternatif de la tige de pompage peut facilement entraîner une fatigue du matériau en raison du déséquilibre de pression entre l'eau de mer et la pression à l'intérieur du tube. La rupture et l'utilisation d'un composite en fibre de carbone peuvent résoudre ce problème. en raison de la résistance à la corrosion de l'environnement marin, sa durée de vie dans l'eau de mer est plus longue que celle de l'acier et la profondeur d'utilisation est plus profonde.
Les composites en fibre de carbone peuvent être utilisés comme tubes de puits de production, tiges de pompage, réservoirs de stockage, pipelines sous-marins, ponts, etc. sur les plateformes de forage pétrolier. Leur procédé de fabrication comprend la pultrusion et l'enroulement humide. La pultrusion est généralement utilisée pour les tubes courants et les conduites de raccordement. L'enroulement est généralement utilisé pour la surface des réservoirs de stockage et des cuves sous pression, et peut également être utilisé dans les tubes flexibles anisotropes où le matériau composite en fibre de carbone est enroulé et disposé selon un angle spécifique dans la couche de blindage.
La tige de pompage continue en matériau composite en fibre de carbone présente une structure en ruban semblable à un film et une excellente flexibilité. Produite et utilisée aux États-Unis dans les années 1990, elle est composée de fibres de carbone comme fibre de renfort et de résine insaturée comme matériau de base. Elle est produite par pultrusion après réticulation et durcissement à haute température. De 2001 à 2003, la Chine a utilisé une tige de pompage en fibre de carbone et une tige de pompage en acier ordinaire dans le champ pétrolier à faisceau pur pour la réalisation d'un projet pilote. L'utilisation de tiges de pompage en fibre de carbone permet d'augmenter considérablement le débit de pétrole et de réduire la charge du moteur, ce qui améliore l'efficacité énergétique. De plus, la tige de pompage en composite en fibre de carbone est plus résistante à la fatigue et à la corrosion que la tige de pompage en acier, ce qui la rend plus adaptée à l'exploitation des champs pétroliers sous-marins.
2.2 L'énergie éolienne offshore
Les abondantes ressources éoliennes marines constituent un secteur important pour le développement futur et constituent le domaine le plus avancé et le plus exigeant de la technologie éolienne. La Chine compte environ 1 800 km de côtes et plus de 6 000 îles. La côte sud-est et les régions insulaires sont riches en ressources éoliennes et faciles à développer. Ces dernières années, les efforts visant à promouvoir le développement de l'éolien offshore ont été soutenus par les ministères concernés. Plus de 90 % du poids des pales d'éoliennes est constitué de matériaux composites. Les vents forts en mer et la production d'électricité élevée nécessitent des pales plus grandes, dotées d'une résistance spécifique et d'une durabilité accrues. De toute évidence, les matériaux composites en fibre de carbone peuvent répondre aux exigences de développement de pales de production d'électricité à grande échelle, légères, performantes et économiques, et sont plus adaptés aux applications marines que les matériaux composites en fibre de verre.
Les composites en fibre de carbone présentent des avantages considérables pour la production d'énergie éolienne marine. La pale en composite est de faible qualité et très rigide, avec un module d'élasticité 3 à 8 fois supérieur à celui d'un produit en fibre de verre. L'humidité du milieu marin est élevée, le climat est variable et le ventilateur fonctionne 24 heures sur 24. La pale présente une bonne résistance à la fatigue et aux intempéries. Elle améliore ses performances aérodynamiques et réduit la charge sur le mât et l'essieu, ce qui permet une puissance de sortie plus régulière et plus équilibrée, et une meilleure efficacité énergétique. Grâce à une conception structurelle spéciale, la performance conductrice permet d'éviter efficacement les dommages causés par la foudre sur la pale, de réduire les coûts de fabrication et de transport et d'amortir les vibrations.
3. Applications du génie maritime
Les matériaux composites en fibre de carbone sont utilisés dans les bâtiments d'ingénierie navale. Ils exploitent principalement leurs caractéristiques de légèreté, de solidité et de résistance à la corrosion élevées, et remplacent les matériaux de construction traditionnels en acier pour les tendons et les pièces structurelles, réduisant ainsi le coût élevé du transport de l'acier résistant à l'érosion marine. Ils ont été appliqués aux bâtiments de récifs insulaires offshore, aux quais, aux plateformes flottantes, aux phares, etc. L'utilisation des composites en fibre de carbone pour la restauration technique a débuté dans les années 1980, et la société japonaise Mitsubishi Chemical Corporation a été pionnière dans la recherche sur les propriétés mécaniques des composites en fibre de carbone et leur application au renforcement technique. Les recherches initiales portaient sur le renforcement des poutres en béton armé à l'aide de composites en fibre de carbone, qui ont ensuite évolué vers le renforcement de divers ouvrages de génie civil. La réparation des plateformes pétrolières et des ports offshore par des composites en fibre de carbone n'est qu'un aspect de leur application. De nombreux documents existent à ce sujet. Il convient de mentionner que l'entreprise américaine DFI a utilisé des tiges en fibre de carbone pour réparer le terminal naval de Pearl Harbor. À l'époque, les techniciens utilisaient des tiges en fibre de carbone innovantes pour réparer les armatures. Le quai réparé avec des tiges en fibre de carbone peut supporter une charge d'acier de 9 tonnes à une hauteur de 2,5 m. Il tombe sans être endommagé, et l'effet d'amélioration est évident.
Quant à l'application des composites en fibre de carbone en ingénierie navale, il existe également un type de réparation et de renforcement des pipelines ou colonnes sous-marines. Les méthodes de maintenance traditionnelles telles que le soudage, l'amélioration des soudures, les colliers de serrage, le scellement, etc., présentent leurs limites, et leur utilisation est plus restreinte en milieu marin. La réparation des composites en fibre de carbone est principalement réalisée à partir de résines hautement résistantes et adhésives, telles que le tissu en fibre de carbone et la résine époxy, qui adhèrent à la surface à réparer. Ils sont donc fins et légers, très résistants, durables, faciles à construire et adaptables à différentes formes. Ils présentent un avantage considérable.
Date de publication : 23 mars 2019