La fibre de carbone est un textile composé principalement de carbone. Il est produit en filant divers polymères à base de carbone en fibres, en les traitant pour éliminer la plupart des autres substances et en tissant le matériau résultant en un tissu. Celui-ci est généralement noyé dans du plastique – généralement de l’époxy – pour former un plastique renforcé de fibres de carbone ou un composite de fibres de carbone. Les caractéristiques les plus notables du matériau sont son rapport résistance/poids élevé et sa relative inertie chimique. Ces propriétés lui confèrent un large éventail d’applications, mais son utilisation est limitée par le fait qu’il est assez coûteux.
Fabrication
La production de ce matériau est généralement basée soit sur du polyacrylonitrile (PAN), un plastique utilisé dans les textiles synthétiques pour l’habillement, soit sur du brai, une substance semblable au goudron à base de pétrole. Le poix est d’abord filé en brins, mais le PAN est normalement sous forme fibreuse pour commencer. Ils sont convertis en fibre de carbone par un chauffage puissant pour éliminer d’autres éléments, tels que l’hydrogène, l’oxygène et l’azote ; ce processus est connu sous le nom de pyrolyse. L’étirement des fibres au cours de cette procédure permet d’éliminer les irrégularités qui pourraient affaiblir le produit final.
Les fibres brutes sont initialement chauffées à environ 590°F (300°C) dans l’air et sous tension, dans une étape connue sous le nom d’oxydation ou de stabilisation. Cela élimine l’hydrogène des molécules et convertit les fibres en une forme plus stable mécaniquement. Ils sont ensuite chauffés à environ 1,830 1,000°F (XNUMX°C) en l’absence d’oxygène dans une étape connue sous le nom de carbonisation. Cela élimine d’autres matériaux non carbonés, laissant principalement du carbone.
Lorsque des fibres de haute qualité et à haute résistance sont requises, une étape supplémentaire, connue sous le nom de graphitisation, a lieu. Le matériau est chauffé entre 1,732 5,500 et 1,500 3,000 °F (90 99 à XNUMX XNUMX °C) afin de convertir la formation des atomes de carbone en une structure de type graphite. Cela élimine également la majorité des atomes non carbonés résiduels. Le terme fibre de carbone est utilisé pour un matériau ayant une teneur en carbone d’au moins XNUMX %. Lorsque la teneur en carbone est supérieure à XNUMX%, le matériau est parfois appelé fibre de graphite.
La fibre de carbone brute qui en résulte ne se lie pas bien aux substances utilisées pour fabriquer des composites, elle est donc légèrement oxydée par traitement avec des produits chimiques appropriés. Les atomes d’oxygène ajoutés à la structure lui permettent de former des liaisons avec les plastiques, comme l’époxy. Après avoir reçu une fine couche de protection, il est tissé en fils aux dimensions requises. Ceux-ci peuvent à leur tour être tissés en tissus, qui sont ensuite généralement incorporés dans des matériaux composites.
Structure et propriétés
Une seule fibre a un diamètre d’environ 0.0002 à 0.0004 pouces (0.005 à 0.010 mm); Le fil se compose de plusieurs milliers de ces brins tissés ensemble pour former un matériau extrêmement résistant. Au sein de chaque brin, les atomes de carbone sont disposés de la même manière que le graphite : des anneaux hexagonaux réunis pour former des feuillets. Dans le graphite, ces feuilles sont plates et ne sont que faiblement liées les unes aux autres, de sorte qu’elles glissent facilement. Dans une fibre de carbone, les feuilles sont pliées et froissées et forment de nombreux petits cristaux imbriqués, appelés cristallites. Plus la température employée à la fabrication est élevée, plus ces cristallites s’orientent le long de l’axe de la fibre et plus la résistance est grande.
Au sein d’un composite, l’orientation des fibres elles-mêmes est également importante. En fonction de cela, le matériau peut être plus résistant dans une certaine direction ou tout aussi résistant dans toutes les directions. Dans certains cas, une petite pièce peut résister à un impact de plusieurs tonnes et se déformer encore très peu. La nature complexe entrelacée de la fibre la rend très difficile à casser.
En termes de rapport résistance/poids, le composite en fibre de carbone est le meilleur matériau que la civilisation puisse produire en quantités appréciables. Les plus solides sont environ cinq fois plus résistants que l’acier et considérablement plus légers. Des recherches sont en cours sur la possibilité d’introduire des nanotubes de carbone dans le matériau, ce qui pourrait améliorer le rapport résistance/poids de 10 fois ou plus.
Ses autres propriétés utiles sont sa capacité à résister à des températures élevées et son inertie. La structure moléculaire est, comme le graphite, très stable, ce qui lui confère un point de fusion élevé et le rend moins susceptible de réagir chimiquement avec d’autres substances. Il est donc utile pour les composants pouvant être soumis à la chaleur et pour les applications nécessitant une résistance à la corrosion.
Les usages
La fibre de carbone est utilisée dans de nombreux domaines où une combinaison de résistance élevée et de faible poids est requise. Ceux-ci incluent les transports publics et privés, tels que les voitures, les avions et les engins spatiaux ; des équipements sportifs, comme des vélos de course, des skis et des cannes à pêche ; et chantier. L’inertie relative du matériau le rend bien adapté aux applications dans l’industrie chimique et en médecine – il peut être utilisé dans les implants car il ne réagira pas avec les substances présentes dans le corps. En génie civil, il a été déterminé que les vieux ponts peuvent être épargnés de la destruction et de la reconstruction grâce à de simples renforts en fibre de carbone, qui sont comparativement moins chers.
Économie
En 2013, les utilisations et la demande de fibre de carbone ont été limitées par son coût. Un vélo en composite coûte généralement environ quelques milliers de dollars américains (USD). Les voitures de course de Formule 200, qui roulent à des vitesses supérieures à 320 mph (1 km/h), peuvent coûter plus d’un million de dollars US à construire et à entretenir, un coût déterminé en grande partie par l’utilisation généreuse de ce matériau. Cependant, la demande a augmenté de manière significative, en grande partie en raison de l’augmentation de la production de gros avions commerciaux. Si le coût peut être considérablement réduit, il peut devenir un matériau universel pour les véhicules et les petits produits conçus pour une durabilité et une légèreté extrêmes.