F1 et innovations dans le domaine du carbone

Pour les fans de Formule 1, McLaren est une référence incontournable, un pilier du championnat depuis des décennies. Si beaucoup se souviennent des difficultés rencontrées par l'écurie en 2015 après avoir renoué avec son partenaire de longue date Honda, peu savent que McLaren a révolutionné ce sport au début des années 1980.

Le dimanche 12 avril 1981, le circuit de Buenos Aires a vu Nelson Piquet remporter la victoire qui allait finalement le couronner champion, mais un autre événement marquant, plus discret, s'est également produit : la Marlboro-McLaren MP4/1 a fait ses débuts en course en tant que première monocoque en fibre de carbone.

La saison 1981 s'est ouverte dans la controverse. La FISA a refusé d'homologuer la Lotus 88 avec son concept innovant de double châssis, tandis que la Brabham BT49C a fait sensation en utilisant une suspension hydropneumatique qui contournait la règle de hauteur minimale de 6 cm, exploitant au maximum l'effet de sol et maintenant la voiture collée à la piste. À l'époque, l'équipe Brabham était dirigée par Bernie Ecclestone. La solution en fibre de carbone de McLaren fut rapidement copiée par toutes les équipes du cirque de la Formule 1. Pour comprendre pourquoi, il suffit de jeter un coup d'œil à l'évolution des châssis. Les premières voitures reposaient sur des châssis en acier de type échelle qui seraient risibles sur les voitures de route actuelles. Au milieu des années 1950, les constructeurs sont passés à des châssis tubulaires en acier soudé, puis les alliages d'aluminium sont progressivement devenus la norme. Au départ, il s'agissait de simples tôles d'aluminium boulonnées au châssis, mais au début des années 1980, elles avaient été remplacées par des panneaux sandwich : un noyau en nid d'abeille pris en sandwich entre deux fines couches d'aluminium. Ces panneaux étaient légers et rigides, mais plats, difficiles à courber et impossibles à souder. Ils étaient donc généralement collés et rivetés à l'aide de supports en aluminium. Lorsque McLaren a introduit les revêtements en fibre de carbone en avril 1981, la flexibilité de ce matériau a permis de mouler l'ensemble du châssis en une seule structure véritablement monocoque. Un matériau composite se compose de deux parties : une fibre de renfort et une matrice qui lie les fibres entre elles et répartit les charges. Les fibres les plus connues sont le verre, l'aramide (Kevlar) et le carbone ; il en existe d'autres, telles que le Zylon, le basalte, la céramique ou même les fibres végétales, bien que ces dernières n'aient jamais trouvé leur place dans les composites utilisés en sport automobile. La fibre de carbone elle-même est dérivée du PAN (polyacrylonitrile), un polymère également connu dans le monde textile sous le nom de Dralon. Le processus comporte trois étapes : l'oxydation à environ 250 °C, la carbonisation dans une atmosphère sans oxygène à 1 000-1 500 °C, et enfin la graphitisation à plus de 2 000 °C. En ajustant la température et le temps de séjour, les fabricants peuvent adapter la rigidité et la résistance à la traction de la fibre. Les filaments obtenus sont regroupés en torons de 1 000, 3 000 ou 12 000 filaments, qui sont ensuite tissés ou disposés en couches pour former des tissus.

La matrice est le plus souvent une résine synthétique (polyester, époxy, phénolique ou acrylique), bien que des matrices métalliques (par exemple, de l'aluminium renforcé de fibres de bore) et des matrices céramiques aient également été testées, ces dernières étant désormais interdites en F1. Les composites à matrice de carbone sont toujours utilisés pour les disques et les plaquettes de frein. Les résines sont généralement des systèmes à deux composants qui durcissent lorsqu'ils sont mélangés, sous l'effet de la chaleur ou des rayons ultraviolets. En Formule 1, l'époxy est le matériau le plus utilisé, offrant une excellente résistance mécanique ; la résine phénolique est réservée aux composants qui doivent supporter des températures supérieures à 150 °C. Les composites carbone-époxy sont produits par moulage « par contact » : des couches de tissu de carbone imprégnées de résine liquide sont placées dans un moule prétraité, puis durcies – soit à température ambiante pendant une journée, soit dans un four chauffé en moins d'une heure. Cette méthode simple nécessite un équipement minimal et peut être mise en œuvre dans un atelier modeste. Il existe également une technique appelée « moulage sous vide ». Son principe de base est similaire à celui du moulage par contact, mais après la mise en place de la dernière couche de tissu, un film de démoulage et un feutre de drainage sont ajoutés, puis l'ensemble est scellé dans un sac en plastique dont l'air est évacué à l'aide d'une pompe. Le vide à l'intérieur du sac, combiné à la pression atmosphérique, crée une pression uniforme sur l'ensemble de la pièce, améliorant le compactage des couches de carbone et réduisant la quantité de résine nécessaire pour obtenir un composite haute performance. L'équipement requis est minimal, mais la maîtrise du processus est plus exigeante que pour le moulage par contact. L'infusion fonctionne selon un principe complètement différent. Des couches de tissu sec sont disposées dans le moule, enveloppées dans le même sac que pour le moulage sous sac, et l'air à l'intérieur est évacué à l'aide d'une pompe. La résine liquide est contenue dans un réservoir relié au sac par un ou plusieurs tuyaux contrôlés par des vannes. Lorsque les vannes s'ouvrent, le vide aspire la résine dans le sac, où elle imprègne le tissu. Bien que complexe et difficile à mettre en œuvre, cette méthode est préférée pour les composants de grande taille tels que les pales d'éoliennes.

Dans la méthode « préimprégnée » (pré-preg), les tissus sont déjà saturés d'une résine très visqueuse et sont stockés congelés. Une fois sortie du congélateur, la résine commence à durcir très lentement, donnant au matériau une consistance similaire à une fine feuille de cuir qui peut être facilement coupée. Les couches de tissu sont ensuite disposées dans l'ordre et l'orientation requis, placées dans le même sac et durcies dans un autoclave. La haute pression à l'intérieur de l'autoclave compense la viscosité de la résine, garantissant un compactage adéquat. C'est la technique utilisée en Formule 1 et dans l'aérospatiale, car elle est hautement reproductible. Paradoxalement, elle exige le moins de compétences manuelles, mais reste la plus coûteuse. Les procédés moins courants comprennent l'enroulement filamentaire pour les tubes ou les bouteilles de gaz et le moulage par injection.

Composites carbone/carbone Lorsque le renfort et la matrice sont tous deux en carbone, on obtient un composite carbone-carbone. En Formule 1, ce matériau est principalement utilisé pour les disques de frein. Les fibres de carbone sont tricotées ou tissées en trois dimensions pour se rapprocher de la forme finale, puis imprégnées de brai (un résidu de distillation du pétrole similaire au bitume). La pièce subit la même série de transformations que le carbone à base de PAN, y compris une carbonisation à environ 1 250 °C dans une atmosphère inerte d'azote. Une fois la croûte superficielle éliminée, le cycle d'imprégnation-carbonisation est répété jusqu'à obtenir l'homogénéité souhaitée. Le composant est ensuite imprégné de silicium liquide pour renforcer sa résistance à l'abrasion, puis graphité à des températures supérieures à 2 000 °C. Une fois refroidi, il est usiné pour obtenir ses dimensions finales. Le concept sandwich Lorsque l'on parle de composites, on évoque inévitablement le principe sandwich : un noyau léger et incompressible est placé entre deux peaux composites. En Formule 1, le noyau le plus courant est le nid d'abeille Nomex (papier imprégné de résine phénolique), utilisé parallèlement au nid d'abeille en aluminium depuis les années 1980. Un noyau moins connu, utilisé dans le plancher des Chevrolet Corvette, est le bois de balsa. Oui, le bois peut faire partie d'une construction de haute technologie. Comme la rigidité augmente avec le carré de l'épaisseur, une augmentation de trois fois l'épaisseur entraîne une augmentation de 27 fois la rigidité, ce qui rend le poids supplémentaire du noyau négligeable par rapport au gain de rigidité.

La fibre de carbone et ses avantages Au-delà de sa faible densité, la fibre de carbone offre une excellente résistance à la traction et à la compression, ainsi qu'une grande rigidité. Une pièce en fibre de carbone peut être quatre fois plus rigide qu'une pièce en alliage d'aluminium ou dix fois plus rigide qu'une pièce en acier de même poids. La conception composite permet aux ingénieurs d'aligner les fibres directement avec les contraintes auxquelles une pièce sera soumise, en choisissant le type de fibre, le tissu et l'orientation afin d'optimiser les performances. Cette approche sur mesure élimine le gaspillage de matériaux, contrairement aux métaux qui, à l'exception de procédés tels que le forgeage, offrent la même résistance dans toutes les directions. Développements La palette de matrices et de renforts utilisés dans les composites a peu évolué au fil des ans, mais des avancées récentes ont ouvert de nombreuses nouvelles utilisations pour ces matériaux.

L'un des domaines où des progrès ont été réalisés est celui de la production : les avancées en matière de prototypage rapide et d'outillage permettent désormais de fabriquer un tout nouveau composant composite en seulement trois jours, moules compris. En outre, toute une gamme de technologies d'impression 3D permet aux fabricants de travailler directement avec de la poudre de graphite ou de longues fibres de carbone sans avoir recours à un moule traditionnel.

Dans le même temps, ce domaine couvre des extrêmes, des nanotubes de carbone de quelques microns seulement aux fibres massives à larges ailes qui ornent les capots des monoplaces actuelles. Prenons l'exemple de la Marlboro-McLaren MP4/1. En 1981, toutes les voitures du championnat étaient encore équipées d'une carrosserie sur leur châssis. La MP4/1, propulsée par un moteur Ford Cosworth V8 de 3 litres, ne faisait pas exception à la règle, mais sa coque révolutionnaire en fibre de carbone était moulée autour d'un moule mâle en forme de poinçon. La coque nue, visible sur la photo ci-dessous, présentait des défauts de surface qui la rendaient impropre à la carrosserie à ce stade. Il faudra attendre plusieurs années et l'intégration complète des amortisseurs et autres pièces de suspension avant que la coque puisse également servir de revêtement extérieur à la voiture. L'histoire rapporte que le samedi 11 avril 1981, John Watson s'est qualifié en 11e position, loin devant son coéquipier Andrea de Cesaris, qui utilisait encore l'ancien châssis. Le lendemain, Watson a abandonné à mi-course en raison de vibrations importantes. Pourtant, le 18 juillet de la même année, il remportait le Grand Prix de Grande-Bretagne à Silverstone, marquant le début de la domination de la fibre de carbone en Formule 1. Contenu rédigé par Patrice Véronel, distribué par FranceF1.