La fibre de carbone sur les bateaux de croisière ? Parlons-en…

Depuis des années, dans le monde du nautisme, nous entendons souvent parler de l’utilisation de la fibre de carbone comme d’une sorte de “deus ex machina” des yachts modernes. Indubitablement efficace sur les yachts de course, cette fibre trouve désormais un certain nombre d’applications à bord des bateaux de croisière standard. Le rapport coût-bénéfice du carbone dans ce contexte est-il vraiment avantageux ou s’agit-il simplement d’une valeur ajoutée qui n’est pas entièrement nécessaire ?

Élégante, brillante, high-tech. La fibre de carbone est désormais largement utilisée dans la production de tout objet pour lequel la recherche d’une grande résistance mécanique et d’une grande légèreté prévaut. Et les bateaux sont en tête de liste pour cette exigence de performance. Et c’est précisément dans le domaine nautique que l’on entend souvent souligner l’utilisation du carbone comme l’une des caractéristiques les plus importantes des yachts modernes. Mais au-delà des régates et des compétitions, où le carbone trouve une véritable raison d’être, le doute sur l’opportunité d’utiliser cette fibre précieuse sur les croiseurs de série reste fort. Le rapport coût-bénéfice du carbone dans ce domaine est-il vraiment avantageux ou s’agit-il simplement d’un outil de marketing pour mettre en avant une valeur ajoutée, certes réelle, mais pas totalement nécessaire ? Combien de légèreté et de performance gagne-t-on à installer autant de petits accessoires en carbone à bord d’un bateau de croisière ? Une maintenance amateur à faible coût de ces composants est-elle possible ?

Nous tentons de répondre à ces questions en expliquant en détail en quoi consiste techniquement cette fibre fine, comment elle est traitée, ses mérites et ses démérites, et quelles peuvent être ses applications réellement efficaces à bord des yachts de croisière.

Le chantier naval Freedom Yacht, pionnier du carbone

Le carbone est un matériau relativement jeune. Ses premières utilisations dans le domaine militaire remontent au début des années 1960. C’est après 1992, lorsque l’utilisation du carbone a été autorisée pour les bateaux de la Coupe de l’America, que la fibre de carbone a gagné en popularité. En fait, il était déjà utilisé dans la navigation de plaisance depuis plus d’une décennie. En fait, dans les années 1980, Freedom Yacht vendait des bateaux de croisière de 33 à 44 pieds avec des mâts en carbone.

Le secret du succès du carbone pour les Freedom Yachts, inatteignable par les autres chantiers de l’époque, était le faible prix des bateaux dû à la simplicité des gréements Cat Ketch et Cat Schooner. L’adoption de mâts non haubanés a permis d’éliminer le coût des accessoires tels que les cadènes, les haubans, les ridoirs et les barres de flèche.

Les propriétés techniques du carbone

De quoi se compose techniquement le carbone ? La fibre de carbone est fabriquée à partir de composés. Le carbone est en effet obtenu dans les filaments par pyrolyse (division par la chaleur) en chauffant à 1 500 degrés des substances à forte teneur en carbone. Une fois séparé des autres éléments, le carbone est purifié et soumis à des traitements qui augmentent sa perméabilité et l’adhérence de la résine avec laquelle il sera imprégné pour obtenir le composite. Les filaments sont ensuite regroupés en cordons (appelés roving) pour produire des tissages et des textures, soit à l’état pur, soit associés à d’autres fils dans des tissus hybrides (verre-carbone et carbone-kevlar par exemple).

Le carbone est commercialisé sous différents formats : rovings, rubans, tissus unidirectionnels, fibres hachées et broyées, etc. Les qualités techniques de la fibre de carbone sont sa grande rigidité, son extrême légèreté à épaisseur égale et sa grande résistance mécanique : nous parlons d’un composé qui, lors de tests, est jusqu’à 7 fois plus résistant que l’acier et un tiers plus léger que l’aluminium. La nécessité d’assembler les fibres avec de la résine diminue quelque peu ces mérites, mais même ainsi, les caractéristiques du carbone par rapport aux matériaux traditionnels permettent de construire des bateaux et des équipements techniquement supérieurs dans la production d’un composite.

Traitement sous vide et Preg

Les propriétés physiques des fibres de carbone changent en fonction de la direction des forces appliquées. Les valeurs de résistance sont différentes lorsqu’elles sont testées dans le sens de la fibre ou transversalement à celle-ci. Depuis que l’analyse des défaillances des composites de carbone a révélé que la délamination, favorisée par la présence de vides et d’impuretés, et la résistance mécanique inférieure de la matrice (la résine) par rapport à celle de la fibre en étaient la cause principale, les procédés de fabrication ont évolué pour minimiser ces problèmes. À l’imprégnation du tissu sec équilibré à température et pression ambiantes, on a ajouté le vide qui, grâce à la pression uniforme (inférieure à une atmosphère) sur le composite, élimine une partie des bulles d’air et de la résine en excès avant le durcissement. Mais ce n’est pas tout.

Les pressions sous vide sont augmentées jusqu’à environ 8 atmosphères, ce qui permet d’améliorer l’adhérence des couches de fibres superposées. En outre, l’utilisation de fibres Pre Peg, c’est-à-dire de filaments pré-imprégnés de la quantité exacte et uniforme de résine, et le traitement thermique du composite (40 à 160 degrés centigrades selon le traitement) ont amélioré les caractéristiques d’adhésion mécanique de la matrice et apporté une certaine constance de qualité. Le résultat est une production de plus en plus sophistiquée de matériaux fiables.

Rupture brutale et risque de corrosion

Malgré ces excellentes propriétés, le carbone n’est cependant pas sans défaut. Par exemple, son point de rupture coïncide presque avec la limite d’élasticité. Cela signifie qu’il n’y a pas de signes visibles de défaillance avant l’effondrement. En pratique, l’utilisation de fibres pures est idéale pour les artefacts nécessitant une résistance mécanique élevée, tandis que pour les structures soumises à une forte flexion, comme les lattes de voile, les fibres aramides ou les tissus hybrides carbone-kevlar sont à privilégier. Contrairement au carbone, qui est dur mais cassant, les fibres aramides sont élastiques et absorbent dans une certaine mesure les chocs violents et les vibrations localisées. Les gilets pare-balles sont fabriqués à partir de ces fibres et elles sont souvent utilisées pour prendre en sandwich des renforts de coque avec des fibres de carbone unidirectionnelles.

Un autre problème sérieux avec le carbone est la corrosion galvanique. En effet, le carbone est un conducteur et, couplé à d’autres éléments aux capacités conductrices différentes, comme les métaux des vis et des charnières, le tout soumis à l’action du sel, présente un réel risque de corrosion. Il est dit que les fibres de carbone pré-imprégnées bénéficient de l’isolation de la patine de résine. En réalité, il suffit de percer un nouveau trou ou simplement d’agrandir un trou existant pour exposer les filaments et annuler l’isolation naturelle. C’est pourquoi le canal de la grand-voile, par exemple, doit être fixé à l’aide de colles spécifiques, tandis que les accouplements des barres de flèche de la grand-voile font souvent partie intégrante du moulage du mât en carbone afin de minimiser le nombre de trous nécessaires à la fixation du matériel.

Certaines entreprises interposent une couche de fibre de verre dans les zones à risque de corrosion galvanique, par exemple entre la roue du gouvernail en carbone et le moyeu en métal. Le voilier qui perce et fixe des matériaux métalliques avec des matériaux en carbone et vice-versa devra toujours interposer des résines plastiques isolantes, des pâtes ou des diaphragmes entre les différentes surfaces de contact. Ce vice est cependant d’une grande aide pour reconnaître le vrai carbone du faux : un simple contrôle avec le testeur permet de dissiper tout doute. Le verre, comme nous le savons tous, est un excellent isolant ; le carbone, en revanche, est un bon conducteur.

Bateaux de croisière : les applications du carbone

Les produits marins à base de carbone sont nombreux : mâts, coques, treuils, passerelles et éléments intérieurs tels que les toilettes. Toutefois, le choix du carbone par les navigateurs de croisière nécessite une analyse minutieuse des avantages et des inconvénients. Examinons-en quelques-uns.

Coque

Tout d’abord, la coque. En ce qui concerne les bateaux de plaisance, une utilisation intelligente de la fibre de verre commune dans des panneaux sandwichs combinés à des structures en carbone peut être une solution très efficace. Des résultats maximaux sont obtenus avec une dépense minimale de carburant et de ressources économiques.

Arbre

Le mât en carbone présente également de nombreux avantages. Un bateau doté d’un mât en carbone est plus stable et plus sûr que son homologue doté d’un mât en aluminium, car il a moins de poids en haut et le poids plus important est concentré en bas, ce qui donne généralement de meilleures performances. En outre, la rigidité du mât en carbone permet de mieux maintenir la forme de la voile et d’obtenir des performances supérieures. Dans une courte vague d’étrave, par exemple, alors que l’aluminium cède pour le tangage, le carbone ne fléchit pas et la surface de voile aérodynamique inchangée maintient la vitesse du bateau presque constante, contribuant ainsi à la réduction du tangage de la coque. Le réglage du mât et des voiles est cependant différent du mâtage classique et nécessite un peu de pratique et de connaissances pour le maîtriser. Afin d’apprécier les avantages décrits, il est conseillé de ne monter sur le mât que les accessoires les plus légers disponibles sur le marché et de réduire leur quantité au strict minimum. En effet, le poids total de nombreux équipements peut être considérable : pensez aux feux de navigation, aux antennes, aux jauges, au radar, mais aussi aux marches pour monter en tête de mât et aux lourdes lattes en fibre de verre de la grand-voile. En outre, les mâts en carbone ne comportent des renforts localisés que là où les accessoires sont destinés à être logés, de sorte que des ajouts et des trous non prévus peuvent les affaiblir.

Bouton de beaupré, spinnaker et poulies

Le choix du carbone est également conseillé pour le bout-dehors car il minimise le poids exposé à la proue. Le tangon en carbone devient également plus maniable pour l’équipage et au repos, posé sur le pont ou relevé au pied du mât, il permet de garder les kilos supplémentaires et de maintenir une bonne assiette. En restant sur le pont, les joues en acier des blocs classiques, nécessaires pour renforcer la structure, sont désormais remplacées par des cadres en fibre de carbone. Grâce à de nouvelles conceptions, le poids de cet accessoire indispensable a été réduit de moitié. Toutefois, les performances générales, telles que la charge de glissement et de rupture, qui sont jusqu’à 50 % supérieures à celles des blocs traditionnels, sont davantage liées au type de roulements, de manilles et de connexions textiles qu’au boîtier en carbone.

Voiles

Les voiles, elles aussi, ne reculent pas devant l’attrait de la fibre hi-tech, et les surfaces plus rigides et plus légères du Dacron offrent des performances de voile supérieures : des angles de remontée au vent plus serrés à une vitesse accrue à n’importe quelle allure. Malheureusement, ce sont des voiles difficiles à réparer soi-même et les fibres sont sensibles aux flexions répétées. Un bon entretien et un rangement correct de la voile chez le voilier ou l’utilisation d’un enrouleur dédié sont des précautions utiles pour prolonger la vie de cette voile fine mais délicate.

Passerelle et gouvernail

Même l’achat d’une passerelle en carbone nécessite une certaine évaluation. En effet, il arrive que le poids des roues des poteaux et de la quincaillerie ne soit pas inclus dans les spécifications, ce qui peut prêter à confusion lorsque l’on compare deux produits similaires. Les roues de gouvernail en carbone exposées sont également très esthétiques par rapport aux lourdes roues de gouvernail en acier. Elles sont également agréables au toucher et si légères qu’elles réduisent le moment d’inertie et augmentent la réponse et la sensibilité du gouvernail proportionnellement au diamètre de la roue.

Intérieur

Un bateau pourrait également bénéficier du carbone pour la construction des éléments intérieurs lourds à soulever, tels que les panneaux de fardage, la trappe du couvercle du moteur et le couvercle de la glacière, des objets qui représentent une réelle menace pour la tête et les doigts de toute personne qui s’apprête à vérifier la cale et le niveau d’huile du moteur intérieur ou qui cherche une bière fraîche parmi les provisions réfrigérées.

En résumé, les avantages du carbone appliqué aux bateaux de croisière sont là et ils sont aussi appréciables, mais il faut aussi peser les inconvénients. Tout d’abord, le prix des composants, qui, bien qu’ayant été énormément réduit par rapport au début, reste très élevé. Il faut ensuite considérer que les travaux de routine et les réparations ordinaires, comme l’installation d’un boulon à œil, d’un chaumard ou d’un treuil, deviennent difficiles pour un simple bricoleur nautique et nécessitent l’embauche de techniciens professionnels. Enfin, malgré les extraordinaires propriétés techniques de cette fibre, il faut également tenir compte de sa fragilité, de sa faible résistance aux UV et de la nécessité d’un entretien particulier.

Voici le graphène, adieu le carbone ?

Les acteurs de l’industrie maritime parlent beaucoup aujourd’hui des applications possibles du graphène, un matériau révolutionnaire dérivé du graphite qui pourrait remplacer le carbone. Le graphène a été découvert en 2004 et a valu le prix Nobel en 2010 aux physiciens Andrej Gejm et Konstantin Novoselov. Ses atouts sont son épaisseur infinitésimale, la résistance mécanique du diamant et la souplesse du plastique. Il est également totalement transparent, est le meilleur conducteur de chaleur parmi les matériaux connus et possède une conductivité électrique égale à celle du cuivre. Un mètre carré de ce matériau étiré sur deux côtés supporte un poids de 4 kilogrammes, tout en pesant moins de 1 mg. Ses applications possibles dans le secteur nautique sont déjà innombrables : elles vont des batteries ultra-légères qui n’ont pratiquement pas besoin d’être rechargées aux panneaux solaires presque invisibles ; des voiles ultra-légères et super-résistantes aux dessalinisateurs ultra-puissants et minuscules. Nous verrons bien…