Le carbone est essentiel à l'existence de tous les organismes vivants, puisqu'il constitue la base de toutes les molécules organiques qui, à son tour, forment la base de tous les êtres vivants. Bien que cela seul soit assez impressionnant, il a récemment trouvé des applications étonnamment nouvelles dans des disciplines telles que l'aérospatiale et le génie civil avec le développement de fibres de carbone plus résistantes, plus rigide, et plus léger que l'acier. Par conséquent, les fibres de carbone ont pris le pas sur l'acier dans des produits performants comme les avions, Voitures de course, et équipements sportifs.

Les fibres de carbone sont généralement combinées avec d'autres matériaux pour former un composite. L'un de ces matériaux composites est le plastique renforcé de fibres de carbone (CFRP), qui est bien connu pour sa résistance à la traction, rigidité, et un rapport résistance/poids élevé. En raison de sa forte demande, les chercheurs ont mené plusieurs études pour améliorer la résistance des CFRP, et la plupart d'entre eux se sont concentrés sur une technique particulière appelée "conception à fibre, " qui optimise l'orientation des fibres pour améliorer la résistance.

Cependant, l'approche de conception à fibres directionnelles n'est pas sans inconvénients. "La conception à fibre optique optimise uniquement l'orientation et maintient l'épaisseur des fibres fixe, empêchant la pleine utilisation des propriétés mécaniques du CFRP. Une approche de réduction de poids, ce qui permet également d'optimiser l'épaisseur des fibres, a été rarement pris en compte, " explique le Dr Ryosuke Matsuzaki de l'Université des sciences de Tokyo (TUS), Japon, dont les recherches portent sur les matériaux composites.

Dans ce contexte, Dr Matsuzaki—avec ses collègues de TUS, Yuto Mori et Naoya Kumekawa—ont proposé une nouvelle méthode de conception pour optimiser l'orientation et l'épaisseur des fibres simultanément en fonction de leur emplacement dans la structure composite, ce qui leur a permis de réduire le poids du CFRP par rapport à celui d'un modèle de stratification linéaire à épaisseur constante sans compromettre sa résistance. Leurs conclusions peuvent être lues dans une nouvelle étude publiée dans Structures composites .

Leur méthode comportait trois étapes :la préparation, itératif, et les processus de modification. Dans le processus préparatoire, une première analyse a été réalisée par la méthode des éléments finis (FEM) pour déterminer le nombre de couches, permettant une évaluation qualitative du poids par un modèle de stratification linéaire et une conception guidée par fibre avec un modèle de variation d'épaisseur. Le processus itératif a été utilisé pour déterminer l'orientation de la fibre par la direction de contrainte principale et calculer de manière itérative l'épaisseur en utilisant la théorie de la contrainte maximale. Finalement, le processus de modification a été utilisé pour apporter des modifications tenant compte de la fabricabilité en créant d'abord un faisceau de fibres de base de référence dans une région nécessitant une amélioration de la résistance, puis en déterminant l'orientation et l'épaisseur finales en disposant les faisceaux de fibres de manière à ce qu'ils s'étendent des deux côtés du faisceau de référence.

La méthode d'optimisation simultanée a conduit à une réduction de poids supérieure à 5% tout en permettant une efficacité de transfert de charge plus élevée que celle obtenue avec l'orientation des fibres seule.

Les chercheurs sont enthousiasmés par ces résultats et attendent avec impatience la mise en œuvre future de leur méthode pour une réduction supplémentaire du poids des pièces en PRFC conventionnelles. "Notre méthode de conception va au-delà de la sagesse conventionnelle de la conception composite, fabrication d'avions et d'automobiles plus légers, qui peut contribuer à la conservation de l'énergie et à la réduction du CO 2 émissions, " observe le Dr Matsuzaki.