La première utilisation des fibres de carbone coïncide avec le brevet d'Edison en 1879 pour l'utilisation de filaments de carbone dans les lampes. Mais la première véritable utilisation date de la fin des années 1950. Les besoins de l'industrie aéronautique et spatiale ont été le facteur le plus important à cet égard. La première application commerciale réussie a été réalisée par William Watt et son équipe au Royal Aircraft Establishment à Farnborough, en Angleterre.
La véritable histoire des fibres de carbone a commencé au début des années 1960 et l'utilisation de la fibre de carbone et de ses composites a progressivement augmenté en raison de leurs hautes performances.
Les structures de carbone et de graphite sont composées de l'élément carbone en tant que bloc de construction principal. Selon la définition du textile, la fibre de carbone est une fibre contenant au moins 90% de carbone dans sa structure. Les fibres de carbone avec différentes morphologies et propriétés sont produites en traitant une grande variété de matières premières appelées précurseurs de différentes manières.
Ce que l'on attend d'un précurseur, c'est que la quantité d'élément carbone qu'il contient soit aussi élevée que possible afin d'assurer une conversion facile en structure de fibre de carbone. Les principaux matériaux sont un facteur très important dans les formes de production, la structure, les propriétés et les utilisations finales des fibres de carbone.
Classification des fibres de carbone
Par modules :
- Type à module ultra-élevé (UHM): Ce sont des fibres de carbone avec un module supérieur à 500 Gpa. Un exemple est le type P120 (820 Gpa) de Union Carbide. Cette fibre est basée sur le pitch mezphase.
- Type haut module (HM): Les fibres de carbone avec un module de 300 – 500 Gpa et un rapport résistance/module de 5 – 7 10-3 sont incluses dans ce groupe. Le modèle M50 basé sur PAN de Toray (500 Gpa) est un bon exemple de ce groupe.
- Module Intermédiaire (IM): Les fibres de carbone avec un module allant jusqu'à 300 Gpa et un rapport résistance / module d'environ 10-2 sont incluses dans ce groupe. Un exemple est le M30 basé sur PAN de Toray (294 Gpa).
- Bas module (LM): Les fibres de carbone avec un module inférieur à 100 Gpa entrent dans ce groupe. Ces fibres, qui ont une structure isotrope, ont généralement des propriétés de faible résistance.
Selon Force :
- Ultra Haute Résistance (UHS): Les fibres de carbone ayant une résistance supérieure à 5 Gpa et un rapport résistance/dureté de 2 – 3.10-2 sont comprises dans ce groupe. Un exemple est le modèle T1000 basé sur PAN de Toray (7.06 Gpa).
- Haute Résistance (HS): Les fibres de carbone d'une résistance supérieure à 3 Gpa et d'un rapport résistance/dureté de 1.5 – 2.10-2 sont comprises dans ce groupe. Le modèle AS-6 basé sur PAN d'Hercules (4.14 Gpa) est un exemple de ce groupe.
Selon les traitements thermiques finaux :
- Fibres de carbone avec une température de finition supérieure à 2000 OC : Les types à haut module sont inclus dans ce groupe.
- Fibres de carbone avec une température de finition d'environ 1500 OC : les types à haute résistance sont inclus dans ce groupe.
- Fibres de carbone avec une température de finition jusqu'à 1000 OC : Les types à faible module et résistance sont inclus dans ce groupe.
Les matériaux précurseurs les plus importants dans la production de fibres de carbone sont le polyacrylonitrile (PAN), les fibres cellulosiques (viscose - rayonne, coton) et des structures telles que le brai. De 1960 à 1980, une grande variété de brevets ont été obtenus aux USA sur différentes possibilités de production de fibres de carbone selon les précurseurs. Il est plus approprié de séparer les formes de production selon le type de fibre précurseur, comme expliqué ci-dessous.
Production de fibres de carbone à base de PAN
Les fibres de carbone de haute technologie d'aujourd'hui sont des polymères aromatiques avec une orientation moléculaire et une cristallinité souhaitables, souvent également contenant de l'azote. Les fibres de carbone à base de PAN ont reçu beaucoup plus d'attention commerciale que d'autres précurseurs. Il y a trois étapes principales dans la production de fibre de carbone à partir de PAN.
- Stabilisation oxydative à 200 – 300 OC.
- Carbonisation à 1000 OC (Elle peut aller jusqu'à 1500 OC.
- Graphitisation entre 1500 – 3000 OC selon le type de fibre.
Dans la première étape, le précurseur PAN est maintenu en tension et oxydé à 200 – 300 OC. Ce processus transforme le PAN en un composé annulaire non plastique. Watt et Johnson ont recommandé la plage de 150 à 400 OC pour ce processus. La formation de cette structure se déroule en deux étapes. Ces étapes sont la cyclisation et la déshydrogénation.
Au cours de ces deux étapes, la température est également progressivement augmentée. Il est recommandé d'attendre quelques heures pour que la stabilisation soit terminée. La raison de garder la fibre tendue est d'empêcher la fibre de se desserrer et de perdre son orientation pendant l'oxydation. La quantité d'allongement pendant l'étirement peut varier selon la méthode de production.
Un brevet récent préconise une stabilisation rapide des précurseurs PAN. Dans ce brevet, la première étape a lieu à la température à laquelle la plasticité maximale est obtenue du matériau (10 à 50 % de retrait). La deuxième étape a lieu à une tension de 0.01 à 0.2 g/denier et à 200 à 300 °C. La durée totale du traitement est de 15 à 60 minutes (durée dans une atmosphère d'oxygène).
Avec le processus oxydatif, les fibres gagnent en résistance aux processus à haute température. Après oxydation, les fibres sont carbonisées sans tension à des températures supérieures à 1000 °C. Au cours du processus de carbonisation, les structures non carbonées (CHN, NH3, H2) sont éliminées et une structure est obtenue qui représente environ la moitié du poids du PAN initial.
La carbonisation comprend deux étapes. La déazotation est effectuée entre 400 et 600 OC et l'élimination de l'azote se poursuit à 700 OC et atteint son niveau maximum à 900 OC. A 1300 OC, l'azote dans la fibre est à un niveau minimum.
Les fibres obtenues après carbonisation étaient presque exemptes de structures non carbonées et une structure de type graphite s'est formée. Avec des traitements thermiques supérieurs à 2500 OC (graphitisation), l'orientation et la cristallinité sont augmentées dans le sens de l'axe de la fibre.
Production de fibres de carbone à base de rayonne
Il y a trois étapes dans la production de fibre de carbone à partir de rayonne.
- Stabilisation (25 – 400 OC)
- Carbonisation (400 – 700 OC)
- Graphitisation (700 – 2700 OC)
La stabilisation est essentiellement un processus d'oxydation et se compose à nouveau de trois étapes.
- Décharge physique de l'eau (25 – 150 OC)
- Déshydratation de la structure cellulosique (150 – 240 OC)
- Rupture basique des liaisons circulaires, formation de liaisons C - C au lieu de liaisons éther C - O et aromatisation (240 - 400 OC)
Production de fibres de carbone à base de brai mésophase
Si la nature thermodynamique d'un mélange d'hydrocarbures est connue, il peut y avoir des possibilités de produire une variété de fibres de carbone. La production de fibre de carbone à partir de certains composants du brai s'inscrit également dans le cadre de cette logique. Il est possible de préparer le brai pour la production de fibres de carbone avec un système solvant approprié. Les brais aromatiques de haut poids moléculaire sont généralement de nature anisotrope. À ceux-là mésophase est appelé. Après l'attraction, les molécules de mésophase sont orientées et rendues parallèles à l'axe de la fibre et une structure thermodynamiquement saine est obtenue. Avant transformation proprement dite, le brai devient la fibre à étirer. Les processus généraux de cette production sont les suivants, respectivement.
- Pitch commercial => Polymérisation en mésophase
- Faire fondre le tir
- Stabilisation dans l'air
- carbonisation
- graphitisation
Le précurseur de brai se transforme en brai mésophase par traitement thermique à 350 °C. Cette structure comprend à la fois des structures isotropes et anisotropes. Après extraction, la partie isotrope devient injectable à une température inférieure au point de ramollissement. Après cela, la fibre subit une carbonisation à 1000 OC. L'avantage de cette méthode est qu'aucun étirage n'est nécessaire lors des phases de stabilisation et de graphitisation.
La structure de la fibre de carbone a été révélée par des méthodes de rayons X et de microscopie électronique. Contrairement au graphite, la fibre de carbone n'a pas de structure tridimensionnelle régulière. En général, la haute résistance de la fibre PAN signifie que la fibre de carbone à produire doit également être durable. La résistance du précurseur PAN diminue considérablement au cours de la première étape du processus d'oxydation, et le taux d'allongement augmente d'abord puis diminue. L'orientation augmente significativement avec l'augmentation de la température de traitement thermique lors de la carbonisation. Après carbonisation, il y a une augmentation importante du module d'Young de la fibre. Les structures de coque et de noyau de la fibre ont également une grande influence sur les propriétés de résistance. Si une stabilisation modérée est appliquée, le module et la résistance augmentent significativement avec la carbonisation sous tension. Dans une fibre à haut module, les cristaux doivent être disposés en couches dans le sens de la fibre.
Les domaines d'utilisation généraux de la fibre de carbone sont les suivants.
- Industrie aéronautique et spatiale
- automobile
- Équipement sportif
- La navigation
- Applications d'ingénierie générale
Les principales raisons de l'utilisation des fibres de carbone dans l'industrie aérospatiale sont les suivantes.
- Compte tenu du poids, la résistance spécifique des fibres de carbone est environ sept fois supérieure à celle des métaux et leur résistance à la rupture est environ 5 fois supérieure.
- Leur tendance à se dilater avec la température est très faible.
- Il a une meilleure résistance à la fatigue que l'acier et l'aluminium.
- Ils sont très avantageux en termes de rapport performance/coût.
Avec une résistance et une rigidité appropriées, les fibres de carbone deviennent un matériau indispensable pour les industries aérospatiale et aéronautique. Les pièces fabriquées avec des fibres de carbone sont environ 30 % plus légères que les pièces fabriquées avec des métaux de substitution.
Les principaux avantages des fibres de carbone sont leur rigidité et leur tendance à la non-expansion. De plus, les composites en fibre de carbone peuvent être utilisés comme de très bons éléments d'isolation thermique. Un exemple de telles applications est l'isolement des sections d'allumage des avions et des navettes spatiales.
Dans l'industrie du sport, les fibres de carbone ont une large gamme d'applications telles que les raquettes de tennis, les crosses de hockey, les skis, les cannes à pêche, les voitures de course, les vélos, les moteurs de course. Le plus grand gain dans ces applications est la force et la légèreté.
La résistance chimique des fibres de carbone est également à un bon niveau. Cela confère à la fibre une bonne résistance à la corrosion. Par conséquent, les fibres de carbone sont également utilisées dans la construction de réservoirs de produits chimiques et de carburant.
La compatibilité biologique des fibres de carbone est meilleure que tout autre matériau. Les fibres de carbone sont hautement compatibles avec les tissus mous, le sang et les os. Par conséquent, les composites de carbone sont utilisés dans les prothèses et les greffes osseuses.
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