Société Chimique de France

Le cyclisme est pré­sent aux Jeux olym­pi­ques d’été depuis leur pre­mière édition en 1896 à Athènes. Lors de cette édition, 6 titres ont été décer­nés : 5 en cyclisme sur piste (vitesse, kilo­mè­tre, 100 km, 10 km et 12 heures) et 1 en cyclisme sur route : la course en ligne. Il y a actuel­le­ment quatre caté­go­ries (Piste, Route, VTT et BMX) pré­sen­tes dans 18 épreuves où concou­rent -au grand dam du Baron de Coubertin- hommes et femmes.

Depuis les pre­miers Jeux, la vitesse moyenne des vain­queurs de cyclisme sur route n’a cessé de croî­tre : de 25 km/h pour sur un vélo de 20 kg, elle est passée à 42 km/h sur un vélo de 7,7 kg. Il en est de même pour les épreuves sur piste.

La dimi­nu­tion du poids des vélos est due à l’intro­duc­tion de maté­riaux métal­li­ques légers, plas­ti­ques et com­po­si­tes à tous les niveaux de la struc­ture. Les fabri­cants emploient un éventail de maté­riaux très élaborés pour fabri­quer les cadres de bicy­clet­tes. Le but est tou­jours de faire le cadre le plus solide et le plus léger¹ pos­si­ble au meilleur coût. La majo­rité des cadres de vélos sont faits d’allia­ges d’acier, d’alu­mi­nium ou de titane. On trouve également de nom­breux poly­mè­res syn­thé­ti­ques dans les autres pièces de vélos (selle, tige, potence, roues) et dans l’équipement du cycliste (casque, vête­ments). Nous allons par­cou­rir quel­ques exem­ples.

Acier (densité 8)

L’acier (cf. Acier) est un alliage² métal­li­que très uti­lisé en cons­truc­tion méca­ni­que. Il est cons­ti­tué d’au moins deux éléments, majo­ri­tai­re­ment le fer (cf. Fer) puis le car­bone (cf. Carbone) dans des pro­por­tions com­pri­ses entre 0,02 % et 2 % en masse. C’est le maté­riau de cadre le plus répandu. Aujourd’hui, il existe plu­sieurs types d’aciers, avec des pro­prié­tés très dif­fé­ren­tes. Les aciers sont élaborés pour résis­ter à des sol­li­ci­ta­tions méca­ni­ques ou des agres­sions chi­mi­ques ou une com­bi­nai­son des deux. Pour résis­ter à ces sol­li­ci­ta­tions et/ou agres­sions, d’autres éléments (cf. D.I. Mendeleïev) peu­vent être ajou­tés en plus du car­bone. Ces éléments sont appe­lés éléments d’addi­tion, les prin­ci­paux étant le chrome (Cr) (cf. Chrome), le man­ga­nèse (Mn), le nickel (Ni, cf. Nickel), le molyb­dène (Mo). Grâce à sa rela­tive « sou­plesse », un cadre en acier sera plus confor­ta­ble à rouler, absor­bant mieux que l’alu­mi­nium les vibra­tions et trous ren­contrés sur la route. Bien entre­tenu, un bon cadre d’acier peut durer des décen­nies, et sur­tout l’acier ne se « fati­gue »³ pas comme l’alu­mi­nium.

Aluminium (densité 2,7)

Un grand nombre de vélos pro­duits mas­si­ve­ment en usine sont main­te­nant fabri­qués à partir d’allia­ges d’alu­mi­nium (cf. Aluminium). Les fabri­cants expli­quent qu’ils le font parce qu’il est léger, mais il n’est pas néces­sai­re­ment supé­rieur aux meilleurs allia­ges d’acier. Les tubes d’alu­mi­nium sont plus épais que ceux en acier du fait de leur épaisseur et de leur dia­mè­tre, les cadres en alu­mi­nium sont géné­ra­le­ment plus facile à fabri­quer en usine. Un des avan­ta­ges de l’alu­mi­nium sur l’acier, c’est qu’il ne rouille pas. Un cadre en alu­mi­nium est géné­ra­le­ment plus « rigide » qu’un cadre en acier, ce qui peut paraî­tre para­doxal, car l’alu­mi­nium est un métal plus « mou » que l’acier. Ainsi, la rigi­dité supé­rieure de l’alu­mi­nium vient essen­tiel­le­ment du plus gros dia­mè­tre des tubes du cadre. Cette plus grande « rigi­dité » se tra­duit par moins de flexion dans le cadre, moins de « perte d’énergie » due à cette flexion, et sou­vent un meilleur ren­de­ment au péda­lage. Mais tout n’est pas « par­fait » avec l’alu­mi­nium, car il est démon­tré que c’est un métal qui « fati­gue » plus vite que l’acier. Ceci expli­que en partie que cer­tains fabri­cants limite la garan­tie sur leurs cadres en alu­mi­nium à 5 ans.

Titane (densité 4,5)

Le maté­riau de rêve, pour qui peut se le per­met­tre, car il s’agit là d’un métal coû­teux (cf. Titane). Il est plus léger que l’acier, très fort, et ne rouille jamais. Il ne « fati­gue » pas comme l’alu­mi­nium, et il cons­ti­tue un bon équilibre « rigi­dité vs. sou­plesse ». Son coût élevé est dû à la dif­fi­culté de couper et de souder des cadres en titane.

Fibres de carbone (densité 1,8)

Le carbone est un des constituants utilisés dans un matériau composite4. Dans les cadres dits en carbone, des nattes de fils en fibre de carbone5 (renfort), le plus souvent élaborée par pyrolyse du polyacrylonitrile, sont intégrées à une résine (matrice) de type époxy6. La fibre de carbone est solide, résistante et légère, et le fabricant peut choisir, lors de la confection d’un cadre (ou d’une fourche), quelle orientation donner aux fibres et ainsi modifier les propriétés du produit final.

Par exemple, un tube peut avoir des qualités de « rigidité » lorsqu’il subit un effort dans une direction, et de « souplesse » lorsqu’un autre effort vient d’une autre direction, Il existe plusieurs combinaisons ou « recettes » possibles, dépendantes du but recherché. Le procédé de fabrication avec la fibre de carbone est relativement complexe, ce qui entraîne des coûts élevés. Un petit « défaut » dans la fibre de carbone peut entrainer, à la suite d’une collision grave, la mise au rebut du cadre si celui-ci « craque ».

Kevlar^® (densité 1,45)

Le poly(p-phé­ny­lè­ne­té­réph­ta­la­mide) (PPD-T) est un poly­mère ther­mo­plas­ti­que syn­thé­ti­que décou­vert en 1965 par Stéphanie Kwolek et Herbert Blades, cher­cheurs de la société DuPont de Nemours. Il est com­mer­cia­lisé sous le nom déposé de Kevlar. Le Kevlar^® pos­sède de très bonnes pro­prié­tés méca­ni­ques en trac­tion et fati­gue. Il est tou­te­fois 2 fois moins per­for­mant que la fibre de car­bone. Il est uti­lisé dans les selles.

Polycarbonate (densité 1,2)

	Le polycarbonate (PC, cf. Bisphénol A) est un matériau découvert en 1953 par trois chercheurs Schnell, Bottenbruch et Krimm travaillant chez Bayer. C’est une matière plastique présentant d’excellentes propriétés mécaniques et d’une résistance thermique permettant une utilisation entre -135 °C et 135 °C.
Il constitue la coque externe des casques. Le polyéthylène (cf. Polyéthylène) est également utilisé pour cette application.

Polystyrène

Le polystyrène (cf. Polystyrène) peut se présenter sous différentes formes (cristal, choc, expansé etc.). Le polystyrène de base, appelé PS cristal, est une matière dure et cassante, pouvant être transparente ou colorée. Ses propriétés mécaniques et thermiques peuvent être modifiées par l’ajout de plastifiants ou de polybutadiène (cf. Butadiène) pour en faire un polystyrène dit choc.
C’est un matériau très facile à transformer, par injection ou extrusion par exemple. On l’utilise pour l’intérieur des casques dans lesquels il est injecté sous pression.

Polyéthylène (densité 0,9), Polypropylène (densité 0,9), Elasthanne (Polyuréhane)

lLe polyéthylène (R = H, cf. Polyéthylène) est un des polymères les plus simples et les moins chers. Il appartient à la famille des polyoléfines. C’est le plus important polymère de synthèse. Sa production mondiale était estimée à 80 millions de tonnes en 2008. Le polypropylène (R = CH3, cf. Polypropylène) est un polymère thermoplastique semi-cristallin de grande consommation. Ces deux polymères sont utilisés comme fibres textiles.

Le fil élasthanne (connu sous la marque Lycra^®) est dérivé d’un poly­uré­thane linéaire seg­menté alliant sou­plesse et rigi­dité. Il permet de fabri­quer des tex­ti­les « stretch ». Les poly­uré­tha­nes peu­vent être fabri­qués avec une grande variété de tex­ture et de dureté en variant les mono­mè­res uti­li­sés et en ajou­tant d’autres sub­stan­ces (cf. Polyuréthanes) . Ils sont uti­li­sés pour les colles, pein­tu­res, élastomères (cf. Caoutchouc), mous­ses, fibres. Ainsi, ces plas­ti­ques aux vastes appli­ca­tions sont uti­li­sés dans un grand nombre d’indus­tries. L’élasticité des tex­ti­les « stretch » offre des pro­prié­tés de com­pres­sion. La com­pres­sion mus­cu­laire permet une meilleure oxy­gé­na­tion grâce à l’accé­lé­ra­tion de la cir­cu­la­tion san­guine et permet de pro­lon­ger l’effort. Elle aide le spor­tif à récu­pé­rer. Le port de cuis­sards réduit les vibra­tions mus­cu­lai­res et pro­tège les mus­cles vis-à-vis de micro­lé­sions.

Polytétrafluoroéthylène (densité 2,1)

Le polytétrafluoroéthylène (PTFE), est un fluoropolymère issu du tétrafluoroéthylène (cf. Teflon & Cie). Ce polymère technique a été découvert par hasard en 1938 par le chimiste Roy J. Plunkett travaillant pour la société DuPont de Nemours. Il fut introduit commercialement en 1949, la marque la plus connue étant Teflon®.

Le tissu Gore-Tex^®, bre­veté par la société W.L. Gore & Associates en 1969, est cons­ti­tué prin­ci­pa­le­ment de PTFE. Il fait partie des imper-res­pi­rants. Le tissu est com­posé d’un mil­liard et quatre cent mil­lions de nano­po­res/cm² d’un dia­mè­tre de 0,2 micro­mè­tres, soit 20 000 fois plus petit qu’une goutte d’eau mais 700 fois plus grand qu’une molé­cule d’eau seule. La vapeur d’eau engen­drée par la trans­pi­ra­tion étant cons­ti­tuée de molé­cu­les for­te­ment dis­tan­tes les unes des autres n’a donc aucune dif­fi­culté à tra­ver­ser le tissu. Ces pro­prié­tés per­met­tent la régu­la­tion de la tem­pé­ra­ture du corps.

Des tex­ti­les ther­mo­ré­gu­lants sont également uti­li­sés dans les cuis­sards. Il sont cons­ti­tués de micro­cap­su­les de paraf­fine (les paraf­fi­nes, sont des alca­nes, à savoir des molé­cu­les d’hydro­car­bu­res satu­rés à chaîne droite (C_nH_2n+2) dont les tem­pé­ra­tu­res de fusion sont com­pri­ses entre 22 et 37 °C. Les micro­cap­su­les sont incor­po­rées dans les fibres tex­ti­les. Ce sont des maté­riaux à chan­ge­ment de phase. Lorsque le corps pro­duit de la cha­leur, la sub­stance se liqué­fie en absor­bant la cha­leur et crée ainsi un effet de fraî­cheur. Lorsque la tem­pé­ra­ture dimi­nue, le liquide contenu dans les micro­cap­su­les rede­vient solide et émet la cha­leur préa­la­ble­ment emma­ga­si­née.

Pensée du jour :
« Le cycliste doit tou­jours veiller à ce que sa pro­pen­sion pour la pédale n’ait pas d’influence sur sa vie sen­ti­men­tale » (d’après Francis Blanche)

Flyers Tour de France (pdf - 5 Mo)

Sources :

• www.liberation.fr/evenement/0101448199-1903-2003-de-maurice-garin-a-lance-armstrong
• www.lequipe.fr/EquipeMag/Avant_hier/top-5-des-evolutions-du-velo-20110329_151233.html
• http://fr.wikipedia.org/wiki/Tour_de_France_(cyclisme)
• http://passionvelo.over-blog.com/article-4637553.html
• www.docvelo.com
• http://fr.wikipedia.org/wiki/Polymère
• La chimie et le sport, EDP Sciences et L’Actualité Chimique Livres, 2011

Pour en savoir plus :

• Cyclisme et Matériaux
• Acier
• Fer
• Carbone
• D.I. Mendeleïev
• Chrome
• Manganèse
• Nickel
• Molybdène
• Aluminium
• Titane
• Bisphénol A
• Polystyrène
• Butadiène
• Polyéthylène
• Polypropylène
• Caoutchouc
• Polyuréthanes
• Teflon & Cie

Notes
*Éric Franchi est pro­fes­seur d’arts plas­ti­ques, il a coor­donné ses col­lè­gues qui ont par­ti­cipé à l’action AIC en Midi Pyrénées « Un élément une classe »

1. La légèreté est liée à la densité du matériau utilisé. La densité ou densité relative d’un corps liquide ou solide est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique de l’eau pure à 4 °C. Ainsi, la densité de l’eau est 1, celle de l’or est 19 et celle du liège 0,24.
2. Un alliage est une combinaison d’un métal avec un ou plusieurs autres éléments chimiques. Un métal pur a des caractéristiques mécaniques relativement faibles. Le fait d’ajouter d’autres éléments permet de « durcir » (augmenter les caractéristiques mécaniques). Ces ajouts permettent également de modifier les caractéristiques chimiques des métaux (en particulier leur comportement à la corrosion) ou d’améliorer d’autres caractéristiques (facilité de mise en œuvre : coulabilité par exemple). Le métal principal, la plus importante partie du mélange, est appelé « métal de base » ou « base ». Les éléments ajoutés volontairement sont appelés « éléments d’alliage » (ou d’addition) et les éléments non désirés sont appelés impuretés. Les éléments d’alliages sont le plus souvent des métaux, mais peuvent également être d’autres éléments chimiques : le carbone dans l’acier ou la fonte, le silicium dans l’aluminium, etc.
3. La fatigue est un processus mécanique qui sous l’action de contraintes ou déformations variables dans le temps modifie les propriétés locales d’un matériau et peut entraîner la formation de fissures et éventuellement la rupture de la structure.
4. Un matériau composite est un assemblage d’au moins deux matériaux non miscibles (mais ayant une forte capacité d’adhésion). Le nouveau matériau ainsi constitué possède des propriétés que les éléments seuls ne possèdent pas. Ce phénomène, qui permet d’améliorer la qualité de la matière face à une certaine utilisation (légèreté, rigidité à un effort, etc.), explique l’utilisation croissante des matériaux composites dans différents secteurs industriels. Un matériau composite est constitué d’une matrice et d’un renfort. Par exemple, le béton armé = ciment et ossature en acier ou pierres dures comme le silex ou autres (cf. Ciments).
5. Les fibres de carbone utilisées pour des applications structurantes sont obtenues par la pyrolyse d’un précurseur. Le plus utilisé de ces précurseurs est le polyacrylonitrile (PAN). Les fibres sont extrêmement fines, de 5 à 15 micromètres de diamètre, et composées d’atomes de carbone. Ceux-ci sont agglomérés dans des cristaux microscopiques qui sont alignés plus ou moins parallèlement à l’axe long de la fibre. L’alignement des cristaux rend la fibre extrêmement résistante pour sa taille. Plusieurs milliers de fibres de carbone sont enroulées ensemble pour former un fil, qui peut être employé tel quel ou tissé. Les fibres de carbone sont caractérisées par leur faible densité (1,7 à 1,9), leur résistance élevée à la traction et à la compression, leur flexibilité, leurs bonnes conductivités électrique et thermique, leur tenue en température et leur inertie chimique (sauf à l’oxydation). Le prix de ces fibres reste relativement élevé mais il n’a cessé de diminuer avec l’augmentation des volumes de production. On les retrouve dans de nombreuses applications dans l’aéronautique, le spatial ainsi que les sports et loisirs de compétitions.
6. Les résines époxy (EP) possèdent de bonnes caractéristiques mécaniques. Elles sont généralement utilisées avec les fibres de carbone pour la réalisation de pièces de structure et d’aéronautique. Ce sont des polymères à deux composants. Le représentant le plus connu des polymères époxyde est la colle Araldite.